張衡的地動儀真有效嗎？

地震是一種破壞力大的地質災害。在我國的東漢時期，就有一個叫張衡的學者，發明了一款叫做「地動儀」的儀器——此儀器據說能判定地震發生的方位（因為古代沒有電話與遙感衛星，所以看起來這個儀器對於及時救災還是很實用），那麼，張衡的地動儀是不是真的有效呢？

我們可以從力學的角度上來分析這個事情。

我們知道，張衡時代的儀器是機械儀器，那時候還沒有電子設備，什麼感測器，模擬電路與數字電路都是沒有的，唯一有的就是青銅器。那麼張衡在公元134年前做的地動儀的核心部件就是一個青銅的圓柱子——根據《後漢書》的語焉不詳的記載，我們大致可以判斷，該圓柱子可以存在3種不同的可能性，分別是：

a：上端自由，下端固定

b：下端自由，上端固定

c：上端與下端都是自由的，都不固定

三種不同的圓柱子擺放方式

地震發生前，這根圓柱子會朝某一個方向傾倒，砸中那個方向上的龍吐出珠子，被底下的蛤蟆接住。

因此，從力學原理上來看，這圓柱子在地震來臨之時傾倒，這就是利用了所謂「共振」的物理原理。

共振的意思是說：銅柱子的固有頻率（任何固體都有一個固有頻率，所有大橋也有固有頻率，軍隊在大橋上齊步走的頻率如果與大橋固有頻率相同，就會發生共振）與地震來臨前發射的次聲波（一種頻率小於20赫茲的聲波）的頻率非常非常接近，所以銅柱子從地震次聲波里吸收了能量，導致共振的發生，銅柱子的振幅越來越大，馬上就會倒塌。

因共振而崩潰的大橋

那麼，問題來了，銅柱子應該朝哪個方向倒塌？

根據中國地震台網馮銳等人的試驗，銅柱子的倒塌方向是隨機的，不一定會朝地震發生的那個方向倒塌。

因此，可以說，張衡的「地動儀」是利用「共振」原理來工作，這一點是值得肯定的（因為地震前的次聲波傳播速度很快，在地震的縱波與橫波傳過來之前，次聲波早一步到達事發地點，因此這個地動儀有一定的預測地震的作用），但此「地動儀」是無法判定地震發生的方位的。

用共振來解釋生活現象，從東漢到晉朝，已經成為當時學界的主流思想之一。晉朝學者張華就曾經在他的書《博物志》里解釋了一個現象：當時有些老百姓家裡的銅臉盤每天早上晚上都會莫名其妙的自己顫抖起來，發出嗡嗡的聲音，張華解釋說，這是因為銅臉盤的固有頻率與皇宮裡早晚2次敲鐘的聲音頻率一致了，發生了共振。

因此，張衡的地動儀，也可以被張華的理論所解釋。

由於張衡的地動儀早已失傳，現在我們能看到的地動儀模型都是後人根據史籍復原的。其中現在最常見的老模型，即1951年的王振鐸模型，近年已被證明從外形到原理均錯誤。另一種模型由中國地震局馮銳（2005年）提出，即「都柱」是懸垂擺，擺下方有一個小球，球位於「米」字形滑道交匯處（即《後漢書·張衡傳》中所說的「關」），地震時，「都柱」撥動小球，小球擊發控制龍口的機關，使龍口張開。另外，馮銳模型還把蛤蟆由面向樽體改為背向樽體並充當儀器的腳。該模型經模擬測試，上面提到的第2種情況的圓柱子靈敏度高，在地震發生的時候能做出很好的響應，但無法感知地震發生的方位，試驗結果與歷史記載（張衡地動儀預測隴西地震這件事情）部分吻合。

馮銳等人重現的張衡地動儀模型

因此，要想預測地震的方位，還需要更先進的儀器設備，這對東漢時代的張衡來說，是一個不可能完成的任務。

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