张衡地动仪结构原理揭秘电子教案.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。张衡地动仪结构原理揭秘-PK轻拍式地动仪先把楼主的条件罗列如下：1.符合度（接近196字描写程度）2.灵敏度（动地不觉而机发吐丸比较）。3.易用性（再次使用的难易程度）可靠性（误触发）。制造难度（古人办到吗？）再看。1从有限的描述看，那个精确导摆是“都柱似立非立，似悬未悬，是一个上下似接非接的停在尊体中央的柱子。而都柱并非光棍一个，它加有稳定托和重托，以此加大撞击力度、保持稳定。如哪个方向有震动，都柱将会非常灵敏地倒向一方”的都柱。可以看出它是可以倾倒的柱子。这点符合王振铎的。他自己已经批评过了，我就不

2、多说了。中有都柱这条不符合。再者通篇未见到牙机的描写。可能是没有。这样也不符合牙机巧制的描写。它的那个所谓的八道好像高高在上了。这个证据不足。2灵敏的应该没问题。但是（4）就是问题了。轻轻一拍就动作，根本没有地震嘛。至少应该用地震台模拟。5.制造上有些难度，一些部件用铸造恐怕不行。那个精确导摆可能是一个尖足立在平面上。上面的压强（千克力/平方厘米）恐怕得几吨或者几十吨不止。平面和尖足很快就会损坏，平面划伤，尖足深陷平面内部。性能大减或折断尖足都可能发生。用不了几次那个精铜的就完蛋了。镶一块玉可以改善，又会陷入第一条纠纷。说了半天好像不是制造难度是吧？前几年有一个所谓发明，还进入产业化阶段。就是

3、那个水压式电热水器。打开水龙头，在水流压力下，接通电流，加热流水，用毕，关上水门，水流停止水压降低，切断电流。多么完美设计呀！实际这个是个伪合理。因为水加热后产生的热气的压力远远大于水的压力，关闭水压，电流照旧。于是，烧坏了那个电热丝。不仅如此还经常电人。于是乎，它很快就退出历史，没有人知道了。今天提起它就是想说明，看似合理的办法，没有系统的研究可能只是个伪合理。3最后说说第三条。昨天才看到经典先生上传的图片，那位吴先生手里捏个小球。算我猜对了。他虽然改变了冯的柱下球方式改为柱上球。已经不是冯的设计了。只是采用了冯的思路。（可能也是一种痴迷）。只是无论如何那个球必须回到初始位置。和冯的难度一样

4、，不打开盖子就得破坏密封无际。即使如此那个尖顶也将很快蘑损。结论：轻拍式仍然淡出。设计一个0.3毫米发动的地动仪按都柱摆动0.3mm，牙机接触面宽度为0.5毫米。那么牙机立杆的动重力臂的比为0.3：0.5=动力臂：重力臂=1：1.6.设牙机立杆重20克，摩擦力因为很小，且垂直，忽略不计。重心离支轴设为5mm。动力臂为100mm，所需推力为：100xX=5x20，X=1（克）约980达因。一个小蚂蚁就可以了。设小蚂蚁为最小的（25-60mg）25mg。力气也取一般比例50倍。那么蚂蚁的力气有25x50=1250mg=1.25g。以上仅仅是理论计算。表明养竹版可以做到。试论地动仪复原养竹版的合理性

5、1.全系统以灵敏度最大为核心，中有都拄。2.自动恢复设计，牙机巧制。3.兼具科学性的定方向的吐丸，不突破古人描绘。4.制造调试使用简单化的人文关怀5.充分理解古人的设计暗示，音物并举。6.全面复古的复原。养竹版在设计都柱时，对柱内的悬摆未施加任何有害因素。可以设计成任何灵敏度下动作。实际上，在试验取得当今的最大干扰摆幅后，确定摆幅。（古时肯定没有当今的强大干扰。）在毫米级的摆幅，千分之一能量级。（例如设干扰最大为摆动一毫米，确定吐丸摆动大于此数即可，再假定摆质量为一千克，则外力作功为1（kg）x0.001（m）=1x9.8x10（-3）（焦耳）（是10的负3次方）大约是百分之一焦耳。可见能量不

6、大。3级地震释放的能量是2x10(9)焦耳，5级地震为2x1012焦耳。如果距离等条件合适养竹版完全可以感知。此外都柱的限幅作用保证了七首不动。养竹版的自行恢复牙机是本设计的又一大亮点。内外结合的牙机，自由的安排方式，反应灵敏度的随意安排等，使得在任何外型下都可以建立系统。直立的牙机立杆由于设计的系统重心的位置接近转轴，使得驱动能量得以十分小。平斜设计的牙机恢复办法既简单有可靠。龙下颚的回复初始化设计可谓叫绝。连动的制动锁死机构按反馈原理，第一时间起作用，没有任何延迟。唯科学，不唯上不唯书的夹角平分线指向说明，即合理有又不违古述。内外接触连接的方式既实用又简单。不仅体现了覆盖周密无际，又降低了

7、制造安装调试难度。八方八音的发音铜丸设计应该是张衡的原意，也是中华文化的宣扬。同时显示了使用的便宜。与古书描述一一对照，竟是一个全面复古的地动仪复原。冯锐球版地动仪小球受力分析冯锐的球版地动仪复原虽然几经修改，仍然不能运作。为什么呢？我们从力学的角度粗略分析一下，它仍然不能运作的原因。本文仅仅是定性分析，图形为了说明问题，画的便于理解，虽然与实际尺寸有差异，道理确是真实的。最初，冯版的小球与都柱摆（以后称摆柱）的接触是摆柱的底面与小球的上面相切方式。这个方式的确可以发动小球。只不过“施关”的难度太大。看看下图：摆柱与小球上部的推动力（也是摩擦力）与底面与小球的摩擦力刚好形成小球滚动的力矩。如果

8、此时三者距离刚好合适，就会发动小球。但是当摆柱底面离开小球上部时（看最上面弯曲的线是摆柱中点摆动的轨迹。它的某点切线就是底面位置。）摆柱会在其后面的某一部分与球的右侧接触。这时由于这两个力的作用结果，因推动力的力点位置不同，会使球被底面和摆柱底面“挤住”或者“迸”发出去。（基本上是前者）相反时，由于压力过大，基本不会发动。后来不知道为什么把这个唯一可行的改了。估计是为了便于初始化时小球的安装。这个办法是摆柱中间开个洞，以便小球从上面滑下到摆柱底部。看那个网上的图片，可能是以下两种情况的一种。其一，如果摆柱的内壁切与小球的球心同高的球面点。会产生如图的情况。一个是小球与底面的摩擦力和摆柱内壁与小

9、球的摩擦力。如果小球发生滚动这两个摩擦力一个向左，一个向下。一个是滚动摩擦一个是滑动摩擦。如果小球很轻，摩擦系数又小，滑动摩擦小于滚动摩擦，就会发生滚动。反之，小球只会滑动。不论那种情况，只有（图中表示摆柱底面和球接触的点的对面的点）A移动到A(撇）时才会使球的最高点B低于A点。这时才可能使小球离开。但是这要很大的摆幅（A抬高半径以上）得多大的地震哪？再一个，就是在此接触点之上，B点之下的某点。见下图：建立如下坐标系。原点在球心，（竖直平面内）水平为X轴，竖直为Y轴，小球半径取作单位长。假设球逆时针转动。力的方向作用点如图。红色的曲线是摆柱内壁与球接触点的移动轨迹。蓝色的弧线表示此点在球面上的

10、轨迹。显然一个越走越低，另一个相反，越走越高。对于两个都是实体的青铜组件是不可能互相进入对方组织内部的。既然不能滚动，那么滑动呢？也不行。力fv作用的结果只能是球滚动，摆柱抬高（这是不可能的）。因为fv的力臂太大了，大过半径了。由此观之，改进后的球版，弄巧成拙，反而害了冯。不论怎样球版是没有任何前途的，尽管它戴上了科学的帽子。回答经典先生原问：农夫模型的缺点：1、摆柱可能会同时碰2套舌。2、锁的可靠性会有意外情况发生。3、八套舌机构的力度、行程会不一致，所以八个方向的灵敏度不一致，而且调整一致很可能。对于第一个问题。这个“事件”很可能是，你采用了，可能是“采伪”，不采用可能是“弃真”。但是，这

11、个事件总归是小概率其实不可能事件。平心而论，你一百次吐丸都是一龙，一百零一次时来了个双龙，你的解释既科学又合乎情理，谁会不接受呢？试想，反过来问，当地震发于两龙之间的角平分线时，你的哪一个龙吐丸呢？理论上，你是没有答案的。就是这个问题无解，或者说是不定解。尤其是对于那些形而上学的设计来说，譬如球版，理论上，如果那个球的动量合适，且两道之间的道墙的前端不是刀刃（实际上为了保护球的表面不允许），而是有一定宽度，球会停在那儿。不动了。如果动量再大一些，球会稍微后退，再向前，在不确定的因素下，随机走向其中一道。这是不定解。如果动量很大，会像打台球一样反弹到其它道中，也未可知，岂不是更尴尬？总之，理论上

12、这些复原设计对此事件是无解的。这个事件是它们的奇点。本来嘛，用八龙表示所有方向是个难事。仅仅表示八个方向又有无解的奇点。再看养竹版的设计，不仅可以表示超过八方的指向，对于这个“事件”的表示还是定解，其用两龙吐丸表示“X偏Y二十二度半”（X,Y表示四个方向中的两个。例如：南偏东，西偏北等。）它可以表示一十六个方向，其中八个是精确解。虽然古述没有记载，这不表示张衡没有做到。仅仅是因为小概率事件没有发生罢了。看来，机械的对待张衡地动仪的描写去复原，也会走向错误。为什么不可以是“一龙发机，而七首不动，两龙并发，震发并中。”呢？看来古人也是对未然之小概率事件略之。至于后两个，你就当是挑战者爆炸或者高铁追

13、尾的翻版吧。张衡地动仪复原养竹版大意1.外形采用久已深入人心的王振铎版本。青铜铸造，形似酒尊，盒盖隆起，覆盖周密无际。外有八龙，口衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。2.中有都柱。此柱系一个组合系统。外部柱体,空心柱状,其上有辘轳调节机构，滑块锁死。中心孔出吊线连接悬垂柱状摆，其下周圆边沿延出，中心尾椎。3.牙机。用自平衡牙机立杆接收从柱摆来的地震信号，龙颚端一头沉牙机平杆负责吐丸。4.巧制和八道。八道内设阻尼杆。其通过与牙机平杆连接，形成实时连动系统。牙机平杆的牙机处抬起时，八道内的阻尼同时抬起。系统僵持。5.发音铜丸。按八方八音制造。例如变宫之音代表东方。（相当于简谱的“1”代表南方，顺时针，简谱

14、的“7”代表东方。变宫正好是“7”xi音。）6.史官会用。在尊的外部，通过龙颚恢复系统。张衡地动仪为什么中有都柱张衡地动仪为什么中有都柱呢？农夫以为，这正是张衡在设计地动仪时系统思想的体现。张衡设计的地动仪一定是给工作人员（史官）使用的，不是给皇帝看得花瓶。那么，一定要求地动仪是简洁好用的。王振铎的立柱可不可以呢?显然不行。一是这个方法灵敏的低，指向不能保证，恢复时要打开尊盖立直扶正已经十分不易。张衡需要的是一个能自动恢复的系统。悬垂物体就可以达到张衡的要求。悬垂物在摆动后，会自动恢复到原来的状态。那么是不是悬起来就行啦？当然不是。冯版虽然也是悬垂方式，但是他的仍然不是一个可以自动恢复的系统。

15、恢复办法比起王振铎立杆要难上百倍。甚至要求人到尊内部找球。几乎每使用一次，都得“张讫，覆之以盖。”推想，张衡在设计地动仪时，对系统的自动恢复能力，要求是必须的。那么，这和都柱有什么关系呢？张为了推动八方牙机，必须把悬摆置于八方牙机中央，这样，就带来如下问题。悬摆可以自动恢复，那么也要求牙机能自动恢复。为了阻止悬摆回摆，张衡设计了八道的巧制机关。很好的解决了这个问题。但是，八道的阻尼只能阻止悬摆回摆，并不能阻止悬摆继续前摆。（冯锐的设计就没有考虑这个问题。没见到相应设计。）张衡考虑到，当大的地震致悬摆大幅摆动时，悬摆扫过的面积内的各个牙机都将发机。因为要求较高的灵敏度，牙机接收部分都离都柱较近。

16、这样同样不能保证七首不动。为了限制悬摆的摆动幅度，张衡设计了都柱。张衡在八方牙机的中央设计的都柱有两点好处。一是都柱限制了悬摆的摆动幅度，保证了悬摆在发动一机后，不能继续向前摆动。二是解决了悬摆的悬挂问题。因为，无论是在尊盖悬挂还是在尊桶悬挂，都有安装调整度大难，仪器精度降低等弊病。在都柱上悬挂悬摆可以在一体的底座部分白箱操作。安装时没有暗箱。施关完毕，只要放好尊桶，就可以请求张衡验收，覆之以盖了。张衡地动仪复原巧制的另一个方法养竹版复原的地动仪可以说是相当完满。但是，在阻尼部分存在安装工艺上的难点。这是一个缺点。如果采用另一个方法，就可以避免。在最初的版本，阻尼部分是采取蟾蜍口内设计，后来取

17、消了外部设计。这一次，不是取消，而是把在口内的外部设计全部移到尊内部。就是在八道内部包含原来的设计。只是改变了比例。把那个阻尼拉线移到牙机平杆的支轴与龙颚之间，这次应该改叫阻尼压杆了。为了定位，在尊上作出相应的定位环孔。这次的设计，取消了实质性的连接。改阻尼压杆和阻尼杆的连接为接触连接。这样，在装配时，可以在牙机平杆上事先安装好阻尼压杆，调整到位。余下的和以前相同了。只要对准定位销放好尊桶，就完成安装，等待“张讫，覆之以盖”了。另外阻尼杆的对应阻尼压杆的地方可以设计成轻微凹下一些，达到更好的定位。下面是原理简图。张衡地动仪复原冯锐之球版批判冯锐的球版地动仪复原虽然获得了国家评审通过，得到了许多

18、专家的认可，冠上了科学的头衔，但是，其设计上的虚谬，复原认识上对原文描述的轻慢是必须批判的。所谓的复原应该是恢复原貌，在原貌仅有有限的文字描述时“复原”是相当困难的。这是可以理解的，但是，这决不是“瞎编”的理由。你的复原一定要符合有限的描写的情形，尽管可以有不同的理解。球版的设计是在接受震波器件上附加累赘设计。本来，这个器件在使用时必须充分“自由”。达到最大灵敏度是主要矛盾。不然如何做到“尝一龙机发而动地不觉”？球版在设计上破坏了都柱自由振动的必要条件，这是不能允许的。必须批判的。牙机是地动仪一个主要的设计。在球版的内部看不到任何牙机存在。牵强的是在哪？原图仅仅标注了“机”，牙在哪？口衔铜丸在

19、球版中也被改动。成了舌压铜丸。其在此处做了变通的理解，结果是使龙首既不能衔，也不能吐。呕出吧。再说外有八龙吧，既然提到八龙和龙首想必是整体和部分的描述。无论如何也不能看成仅仅是八个龙头啊？加上“饰以篆文山龟鸟兽之形”的描写，龙体怎么会是画在尊上面呢？如此复原叫人怎么接受？牙机巧制的巧制在哪儿体现？是球在斜面上乱滚吗？再说那个滚球，在尖顶上放？平面上放？平面压下？看图是都柱中空的，那么小球还会滚动？得多大的功率驱动？（这一条是冯外推的原文没有相关描述。）“自此以后，乃令史官记地动所从方起。”一个史官能否担当得起使用球版的地动仪的”伟任“？另外，有“张讫，覆之以盖。”的描述，张怎么能做到呢？球版复

20、原诸多自娱自乐实在不能让人接受。（网友mfqv关于球版画蛇添足的批判也是非常正确的。如果提高地动仪让球直接滚入蟾蜍口中真的更好些，下面是部分原文：“4.悬垂摆下小球在“米”滑道的方法一定要限定八方滑槽，才能将小球发机，让龙吐丸。？地动仪提高点，让小球直接滑落蟾蜍口中，地震方向也指示了也报警了，何必要画蛇舔足再去触动龙头吐丸？”）附图是刚刚在网上搜到的。和以前看到的不同。所以选了这幅。第一次看得中空都柱。以前以为是底面是实平面。张衡地动仪复原难点全部克服本文是对近期余复原地动仪的一个总结性文章。做一个总体梳理，一边对照古人的描述，看看是否是“复原”而不是现代人的“哥德巴赫。”仍然是把原文抄录如下

21、，以便对照。“阳嘉元年，复造候风地动仪。以精铜铸成，员径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。中有都柱，傍行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。如有地动，尊则振龙，机发吐丸，而蟾蜍衔之。振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机，而七首不动，寻其方面，乃知震之所在。验之以事，合契若神。自书典所记，未之有也。尝一龙机发而动地不觉，京师学者咸怪其无征。后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。自此以后，乃令史官记地动所从方起。”和地动仪相关的句子，将按顺序叙述，虽然有些凌乱，还是觉得光天化日没有任何隐瞒。“精铜铸成”。这个是说地动仪所用的材料

22、和工艺。肯定是当时能用的好材料，也就是青铜了。有人说精铜是纯铜。农夫以为“精”字还是当做精炼，提纯讲好。就是杂质少的铜呗。那时，估计不会有什么单质化合物的概念。（孤陋寡闻了。）铸造工艺按养竹版看皆能完成。按照现在的工艺水平，要造出那个时代的青铜，虽说不是一件容易的事，也绝非登天。实在不行，换一个低一档，当年可以找到的也行。总之，难处不在这儿。“员径八尺”。这句是描述地动仪的大小的。今人皆以为地动仪的直径是八尺。好像员字天生是给现在人圆字用的？农夫认为，员径当圆周或周长讲比较贴切。【余在网上见到一个关于张衡的另一件作品的描述。就是那个“浑天仪”的。中间有一句“循周径75度”。(这句话是在网上看到

23、的记忆的，没有再次找到，可能有误。）没有人理解为弦长。都是认为是弧长。可不可以认为循周径360度就是员径呢？因为员毕竟不是圆，再说了，谁也没见过那个作者；当然不能仅仅凭借自己的想法，去否定大家吧？】此前，考古工作者找到了当年放置地动仪的地方-“灵台”。那个地方保存的还算完好，两层地砖，以及墙壁的残垣。如果不假，那个地方仅仅只有9尺！合现今两米一多一点。（本人有专文讲述过）。这一点可以推断那个地动仪不会是直径八尺。太不合理。另外在古述中，还可以找到另外是佐证。一是“首衔铜丸”的丸字。本人确实不晓得那个时代的丸字经常表示多大的物体。只是猜想，叫丸的，不会太大。如果这个丸像奥运会铅球那么大，再从几米

24、高的龙口落下来，你跑也不跑？太小了和八尺直径的庞大物体不匹配呀。如果铜丸确实不大，可以推断，地动仪也应该相应缩小。其二，八尺和八龙似乎有什么关联。其三。“合盖隆起”这句是描述器形局部特征。有两层意思。一是有一个盖子，据说另一部古书记载了，地动仪竣工时验收的情况。大意是，工匠完工后，仅留下这个盖子，等张衡大人验收合格后，由（张衡）盖好盖子。如此盖子的作用不会太多。至于隆起，估计是在节省材料的前提下，尽量提高内部某物件的高度引起的。原因为都柱的高度较高，其它部分是无用的空间，没有必要浪费材料。“形似酒尊”。本人不知道那时的酒尊什么样，有几种。对于这个描写外形的词字不好乱猜。好在养竹版的复原，不依赖

25、外形。你尽可以美化它。本人觉得王振铎的版本早已深入人心，大可不必改动。把内部换成养竹版就行了。饰以篆文山龟鸟兽之形.对外形表面留给美工就行了。这句透漏出的意思是那个八龙一定不是在尊的表面画出来的。“其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际”。从这开始才是实质部分。先说说牙机巧制。什么是牙机？人的牙是上下两部分，光有一面的牙，吃饭就是个问题。本人猜想那个牙机一定是两部分的结合点。而且这两部分一部分在都柱所属，另一部份应当是龙所属。龙在尊外，都柱内隐。这部分配合应该十分精密。地动仪的底座和尊桶要紧密配合。不能西里晃荡。要做到“覆盖周密无际”。有了精确配合这两部分。就可以把牙机制作的十分精确。养竹版把牙

26、机设计成牙机立杆和牙机平杆两部分。牙机立杆用来接收都柱输出的地震信号（注意，是信号，不是功率。）这就要求牙机立杆要灵敏，所需驱动能量小，可以自行恢复。养竹版是用一个稳定平衡的系统达到的。支点处安放一根上部是牙机的立牙，下部是接受柱触的横向伸出部分。系统重心在支点下方。支轴的选择能改变都柱输出的振幅的大小。如果在牙，和接受点中间选择，这样是一比一，既不放大也不缩小。支轴向下选择，上部牙离支轴远，会放大都柱的位移。反之缩小。当把系统重心设计在支轴位置时，是随意平衡，稍微向下一点就是稳定平衡。二者离开变大时，会要求较大的驱动能量。牙机平杆的配合依赖于整体构件的精密程度。古代能做到周密无际，已经是很高

27、了。当牙机平杆与牙机立杆的牙面接触宽度改变时，也会影响地动仪的灵敏度。把这个宽度设计为小于一毫米为佳。如果能精密加工，使之保持不大于零点五毫米将是一个好的选择。现在的工艺完全没有问题。古代估计也不是很难。“皆隐在尊中”。可能不止是牙机，还有巧制。那个巧制是什么呢？既然外面再没有其它设计了。内部应该还有其它部分。在这里先留一个扣。“中有都柱”。这个当然是主角了。接收地震波用的就是它。尊里面八道呀，牙机呀，八龙啊，因为是八个，肯定是对应八方的，那么去驱动八方巧机的应该是在它们的中间，而中有都柱，显然是它了。如果它不会动，将如何发机？他要是能动，它将系于何处？看起来还得像柱子。现在看来，一它要动，还

28、得平时保持静止，二来，不仅会动还得灵敏，悬挂起来就行了。因为要灵敏，就不能任意添加多余部分。你想，上边用链子牵着，下部用东西塞上，是让人家动还是不让？养竹版是设计了一个中央都柱。这个中央都柱是空心柱子。一来用于支持内部可以动的都柱，二来也用于限制都柱的摆动范围。为了便于调节，在中央都柱的顶端还设计了都柱调节用的装置。在侧面看时，不容易看到。一来中央都柱较高，二来其在中央都柱内部，没有外露。这件设计是合理外推，原文没有提到。“傍行八道”。傍，当旁字也好还是当傍字，他所表示是八道一定是在都柱外侧周围的。行字理解成贯通还是比较合乎实际的。道字表示细长，本来就不需要又粗又大的什么。前文已经提及牙机巧制

29、的两个部件。有了这两个部件就可以发机吐丸了。干嘛还要八道呢？看了下面的叙述就明白了八道的用意。“虽一龙发机，而七首不动”。这句是关于地动仪动作过程和结果的。一龙发机是八龙之中的一条龙被触发，由于摆的运动性质，我们知道它要来回摆动的。“七首不动”是说另外的机关并未被触发。为什么呢？因为有（八）道啊！的确，道中含有保证七首不动的巧制。那个扣的谜底就是道。养竹版设计的道是底座上的沟槽，里边装有阻尼杆。平时阻尼杆不起任何作用。只有当机发时，那个发动的道内的阻尼杆才动作。此时在牙机平杆的牵动下，向上抬起，阻尼杆里端上高出的弧形挡板勾住了都柱底部边缘向下延伸部分，形成僵持状态。此时系统在非地震接收工作状态

30、。此时再发生地震亦不会反映。“施关发机”。这句话是描写地动仪工作前的必须的“初始化”的。施是设置系统的初始状态。要设置的地方有关，机。其实，如果不打算在以后改变工作参数的话。其一切都在仪器建造阶段，按设计参数做好了，安装时，只要按照规定的误差，装配即可。在养竹版中，这部分包含阻尼杆，牙机立杆，牙机平杆的调整。都柱高度的调整。阻尼杆可以调整初始与都柱低的距离。牙机杆调整接触宽度，回摆限位是设计在牙机立杆底部配重处的一个突出于宽面的部分，通过磨削可以调整牙机立杆接受震波的“关”离开都柱的极限位置，可以防止过分前凸造成误触发。都柱高低。“外有八龙，首衔铜丸”。这句话说明外部的龙并不是个纯粹的装饰物，

31、首衔铜丸说明龙首的口内有不属于龙本身的东西。在发机以后，丸会被从口里吐出。就是有张口的机关。衔字说明龙口会“咬住”，反之，亦会张开“吐出”养竹版设计了可动下颚的龙口，可以说复原的得体。“下有蟾蜍，张口承之。如有地动，尊则振龙，机发吐丸，而蟾蜍衔之。振声激扬，伺者因此觉知”。用一个蟾蜍张口承之，一是不想满地找丸。再者说明丸小，你想，（其三）我们见过的蟾蜍能有多大？如果是铅球般大小的丸，还不把蟾蜍砸扁了！（应该用虎头承之吧。）养竹版再一次合理猜度，铜丸是中空壁薄，乐音清亮，八方八音。按照当时的水平，造个复杂的编钟都不在话下的技术水平，造这个是小菜一碟。后面描述是关于工作过程的。是接受地震波到输出有

32、震信号的全过程，除了实物表述的输出外，在人们看不见时用声音提示，充分利用人的各种感官。也是张衡注重细节的学者之风。“自此以后，乃令史官记地动所从方起。”这是关于地动仪最后的一句话。意思是说地动仪非常好用。普通人就能使用。就像现在你看电视打手机一样。不可能一个史官后面跟着二十多个拆迁队调来的棒小伙组成的地动仪初始化专业小分队。养竹版的设计是在你把龙的下颚合上后，整个系统初始化完成，就这么简单。听说，有人以“王命”现之。本人不知道真假和如何联系，亦不知道是否有相应的信息部门或者地震部门需要。如果有识之士明白就里，烦请代为转达本文，农夫不胜感激。考虑到不懂机械的也能看明白本文的叙述，写得拉里拉渣。水

33、平有限，请原谅。张衡地动仪养竹版的再次改进在这次改进前，虽然养竹版的复原设计的结构合理，简单实用，但是有一点不足是显而易见的，那就是在尊外设计了阻尼部分。这和“皆隐在尊中”的描述不符合。这次改进就是解决这个问题。为了这个目的，取消阻尼杆的蟾蜍口内部分，仅保留阻尼轴及以里部分。按照阻尼板抬起多少，在阻尼杆上选取一点，计算其相应的抬起量。再在牙机平杆上选出相应抬升量的点。把这两点打孔，以金属硬线（谓之阻尼拉线）进行链接。让阻尼杆和牙机平杆关联。重新调整龙下颚的重量，合乎新的设计。本次改动后再没有不符合古人对地动仪的描述的情况。下面简述一下改版后的地动仪工作原理。在一次地震中，中央都柱中的悬挂都柱发

34、生震动，其下端推动牙机立杆的水平横杆的震波接收部分，在都柱的推动下，向后移动，从而令牙机立杆上端的牙机向相反方向运动，从而释放牙机平杆。被释放的牙机平杆在铜丸和龙下颚的重力作用下，向上抬起，其一，铜丸吐出，落于蟾蜍口内，其二，向上抬起的平杆通过阻尼拉线，将下部在道内的回摆阻尼杆抬起。此时阻尼杆的阻尼毛毡开始阻止都柱回摆，当都柱回到接近平衡位置时，阻尼板前端45度弧形挡板完全止住都柱的运动。此时系统进入僵持状态。当“史官”把铜丸放回龙口，合上下颚时，牙机平杆的牙机部分向下运动，推开牙机立杆，并越过立杆上的牙机，牙机在自身重力作用下，再一次恢复立直，此时牙机部分恢复到初始状态。在此同时，牙机平杆的

35、下落也释放了阻尼拉线和导致阻尼杆跟随复位。至此整个系统完全恢复到正常工作状态。现在，养竹版完全做到了，“其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。中有都柱，傍行八道，施关发机。”张衡地动仪养竹版的重大改进最近，张衡地动仪复原之养竹版做了重大改进。考虑到“中有都柱”的原文描写，做出如下改进。1. 建立都柱。在养竹版的底座上的“周圆立围”处，立一个空心的都拄，并且把原来设计在尊上部的定位原来叫都柱的摆柱调整部分的设计取消，全部移到新都柱的顶部。十字设计改为一字设计。原来的辘轳轴两端的插棍调整方式改为两端轴向方孔调整设计。这样整个新都柱看起来没有多余的部分，其皆隐柱中。2. 都柱底部改为外部圆面立出。就

36、是把原来都柱底面的周围留下一部分，中间的去掉，留下的部分有0.51.0厘米足矣。3. 把原来的阻尼杆的橘瓣设计，在循周径处增加45度的立阻板。高度与新的都柱内摆底部相一致。4. 其它部分，涉及本次改动的相应改动，否则不变。本次改动后，看起来更符合原文的描述。打开尊盖，取下尊桶。我们看到的是中间有一个大柱子，底座上有八条沟槽，都柱旁边有八面的牙机巧制的一半的“机”。机理上，本次改动主要在增加的阻尼部分。新的阻尼方法，在原来的基础上，增加了阻尼板，使原来的阻尼效果更加可靠。有一定长宽的弧形阻尼板，会阻止都柱摆在动量大时的阻尼不足。刚性的与都柱摆的靠接不仅可以阻止都柱摆过度回摆，也能阻止其向其它方向

37、晃动。（因为遭遇刹车造成的）而且把都柱摆和阻尼板相互接触的地点设计在都柱摆的平衡位置，消除了阻尼解除后的其它不良影响。为了和以前的叙述保持一致，新增加的“都柱部分叫中央都柱，以示区别。文中的都柱摆，就是以前文中的都柱。以后仍叫都柱。张衡地动仪的真实大小是多少看过冯锐提供的资料说，放置地动仪的地点只有九尺宽，还说可以放下直径八尺的地动仪。农夫觉得，放置一个要正常使用的仪器，不是装集装箱。总要对仪器维护，日常检查等等的工作。必须留有正常的使者使用的空间。九尺的地方放个八尺的物件合理吗？侍者如何完成，巡视，取铜丸，放回铜丸？壁虎游墙吗？正常的话，应该留有侍者走路，操作的空间。现在人们的门一般宽80-

38、90厘米，如果地方拮据留50-60厘米也可。一般自行车的车把宽是55厘米。按一边留60厘米应该不算多，加起来就是120厘米。九尺（按一汉尺=23.4厘米计）合现今210.6厘米去掉维护侍者工作用道仅剩90.6厘米。这样侍者要小心翼翼的，以免碰了仪器。一边再留一点保险的安全系数，10厘米吧，看看还剩多少？70厘米！也就合乎“员径八尺”了。（是员=周围讲，不是员通“圆”）。由此观之，那个地动仪真的不会直径大于100厘米。（最外缘）（尊按60厘米，外龙加上xx厘米。）张衡地动仪的外形遐想张衡地动仪的外形确实让人琢磨不定。不是有“员径八尺”吗？有人说“员”通“圆”，干脆有人自作主张的就写成“圆”径八尺

39、了。真是一了百了啊。这样就肯定是圆形的了！搜一下尊的图片，真是五花八门，你想看到的都有。但是，如果员就是员，不是别的。（终究一切都是今人猜度古人。）那么，这个当周围讲的字，就不一定表示圆形了。为什么不是八边形呢？没有什么不合理。（每棱一条龙，或每面一条龙不是更好吗？）听说古代有个四方羊尊也很美呀！这个是六边形的。当然最多的是圆形的，毕竟圆形的要比别的容易制作。好看的圆形的也不少。张衡地动仪的外形究竟会是什么样子呢？（图形来自互联网本人没有版权）张衡地动仪的施关在哪里在张衡传中的关于地动仪的描述中有“施关发机”的描述。关于这句话引起的争论也最多。据字典介绍，“施”字在这里基本当设置讲。还把这句话

40、当成范例。对关字的理解没有多大不同，争论多在关的代表物是什么上。发机就是发和机。因为有“一龙发机”的描写，发机的解释就不能胡来了。在地动仪中，对事件的输出确认是以龙吐丸为正，其它不计。就是说仪器对地震的反应，最后要吐丸。这是末尾。而施关是在初。就是在接收地震信息的部分。施又是设置，那么施关就是要设置接收地震波的装置。这里地震波是主线。都柱第一个接收地震波，它要反应灵敏，可靠，一定不要在这个阶段受到不良影响。（例如被小球挤住了。）它的位置（高低）由吊线决定，就一定要“施”。紧接着，就是都柱把接收到的信息如何传递出去的问题。这当然要求同样准确可靠，能量传递损失少。此处决定灵敏度高低，可按要求设计。

41、这处不仅要“施”而且要精确地“施”“关”之所在。这处的“关”当然是最紧要的。在养竹版中，牙机立杆的平衡力大小，恢复力的大小，（此时不含牙机平杆的压力），距离都柱的大小，都柱输出能量的大小，都要考虑周全。在养竹版中，此处仅仅是一个，一定端高度的，有限厚度的在微力作用下就可运动的自身可以恢复平衡的立杆。这个关是最要紧的一关。需要设置的参数有，距离都柱的大小，摆幅大小，高低范围，以及回动大小控制等。好在都可以简单解决。除了吐球关已有专门讲解外，最要紧的就是系统自动复原关。不可能搞得像三峡一样吧？没有一个简单可靠的系统恢复办法，这个仪器就永远不算成功。张衡地动仪中的牙机巧制的巧在哪里？在张衡地动仪中一

42、个关键点部件是牙机巧制。牙机什么样？巧制又巧在哪里？农夫的设计回答的就很有说服力。养竹版的这部分充分利用了铜丸的自身重力，横竖搭配的巧妙的牙机，及其简单的恢复状态的设计，微小的触发力度等等，让人们看到了古代科学家的智慧的展现。在养竹版中，设计者利用悬挂的物体重心通过重力作用线的原理，让牙机的竖直部分就在重力作用线上。这样，当发机以后，都柱离开牙机立杆后，这个牙机立杆，就是个孤立系统，就会回到自身的平衡状态。这是一巧。牙机的横杆和牙机立杆以平面接触，用平杆的杠杆力实现平衡，同时，这个力是很小的，（摩擦系数乘以正压力），只要沿着平面方向有力作用，两个平面就会发生相对移动。如果此处设计的接触面积很小

43、，那么移动的量就用不了多大，造成平，立两杆分开。同时，在设计牙机立杆时，巧妙设计立杆的支点，会对都柱的推动量有放大或缩小的作用。同样平杆会改变接触力的大小。这是二巧。简单的分离设计让灵敏度极大提高。再者，牙机平杆的和龙头一体设计不仅使吐丸及时顺畅，还可以在吐丸以后，只要简单的把铜丸放入口中，向上合上下颚，在立杆和平杆的两个斜面设计下，平杆顺利下滑，推动牙机立杆上端后退，越过牙（齿），立杆的牙机得以回复竖直，再次止住牙机平杆的向上可能。（在合下颚的动作结束，松开手以后。）就再一次完成了施关的一部分。使地动仪状如起初，你说巧也不巧？牙机立杆的水平部分，是接受都柱的震动的施关处，也是发机的起点，这个

44、点是自平衡的一点，只需小力平衡就会破坏，去掉外力就会恢复。这就使灵敏度得到扩大，（没有阻碍都柱运动的设计。）再巧不过了。总之，养竹版的设计，利用杠杆，自身重力，牙机，平衡的自动恢复等等的设计，展现了地动仪的能力。（可能远远不如张衡的设计。）牙机图可以参考本博客的相关文章。张衡地动仪复原冯锐版设计缺陷张衡地动仪失传多年，今人多有度其理而现之。听说在众多版本中，冯锐教授的球版几近完美，并且在前几年就已经修成正果。不过以农夫的眼光，这个设计有重大缺陷。不客气的说，几近不能容忍。偶见到的相关信息都是二手的，如果不合真版就当没说，君一笑弃之。冯的设计是底部一个米字型斜坡滚球设计。估计是为了解决“虽一龙发

45、机，而七首不动”，而设计的。这个设计，是用滚球的能量来完成“机发吐丸”，这就有两种方法，一是提高米字中心点高度，提高球的势能。另一个是增加球的质量。冯版选择了后者。估计是如果提高米字中心，对球的放置增加难度，动量太大对球表面影响不利。工作前，把小球放在米字中心，这就不容易。如果中心做成轻微凹陷，势必降低灵敏度，甚至可导致不能工作。如果是平面设计，放一个球在中心，令其不动，不比在桌子上立鸡蛋容易许多。球放好以后，把都柱置于其上方，要保持，既不能离开又不能压下。（可能是相切吧？）而且这个过程是在盖盖时完成，几乎相当于黑箱操作。在都柱下放的过程中，都柱不能晃动，否则改变了球位，就得重来。再者，那个都

46、柱的总长是极端精确的。要求对温度一定不敏感。总长长了，压球太大，灵敏的大降。总长小了发力点不确定，球路不易控制。离开了，球受干扰的程度剧增，可能自行离开中心。总算一切就绪。一次测震完成后，打开盖子，找到小球，检查球面有否损伤，是否需要更换，（估计东汉时加工一个也不容易），放回米字中心，（nz），令其淡定，放盖子，令都柱千万别动，终于放上了，不知道球是不是真的在中心，（眼不见心不烦）。如果此时，小球在中心点以外的地点被压住，刚好在球，中心一线的方向发生地震，摆推球经过中心点去发机。因为都拄摆要走圆弧，（如果把都柱底面做成球面，要放好本装置，不亚于取消收费站）。越走越紧，如果此时刚好能量不足，球停

47、下不走了，竟而向反方向走去，这下容易了，就在道口附近，吐丸吧。恐怕这回不是“京师学者咸怪其无征”。而是怒其不把老天爷放在眼里。好一点的结果是中途停止，这也不妙。倘若动地人觉，而尊浑然不知，那么张衡只好凭运气做官了。好像你买了一辆“宝马”，只能推着它出行。总之，此方法，“施关发机”不易。重置初始状态艰难。理论上，不定解点不能排除。等等。张衡地动仪结构原理揭秘（张衡地动仪谜底现世）张衡的地动仪已经失传千七百年亦。关于它的原样无从得知，今人所见者，皆为后人推模而成。有的和原器大相径庭，有的不得其本。本文所述之，皆按古本记述而成。违拗之处，尽量拍砖。亦不胜感激。先看看古人是怎么说的。下面是张衡传的部分

48、原文。阳嘉元年，复造候风地动仪。以精铜铸成，员径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。中有都柱，傍行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。如有地动，尊则振龙，机发吐丸，而蟾蜍衔之。振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机，而七首不动，寻其方面，乃知震之所在。验之以事，合契若神。自书典所记，未之有也。尝一龙机发而动地不觉，京师学者咸怪其无征。后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。自此以后，乃令史官记地动所从方起。诸位，“合盖隆起，形似酒尊”只是说此器上部是个盖子，并未说是由两部分构成。（试想加上下部的蟾蜍应该不止两部分）。所以有人把它看成两部分，我是不同意的。再看，“其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际”。如果是一个部分内部机构如何安装调试？再者“覆盖周密无际”是什么意思？明明是说的酒尊的那个东西看不出有缝隙。就是工艺上乘。让人看不出（是两部分）结合。其三，“虽一龙发机，而七首不动。按着现在公认的悬垂摆结构看，似有什么机构阻尼了摆动的都柱往回摆动而误触发对面的”一首“。不然“摆”来回一动，两首尽发，不南辕北辙吗？后来，“验之以事，合契若神。自书典所记，未之有也。尝一龙机发而地不觉动，京师学者咸怪其无征。后数日驿至，果