地动仪

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y

对候风地动仪的分析报告

院系：机电学院工业设计系

班级：1108201

姓名：马畅

学号：1110820106

哈尔滨工业大学

摘要：

候风地动仪是世界上第一台侦测地震的仪器，是我国古代人民智慧的结晶。对于候风地动仪的原理，史料中并没有明确详细的记载。因此，本文对于候风地动仪的分析，主要从其材质、纹饰及尺寸入手，分析候风地动仪在设计和制造过程中，选材、装饰的原因及目的。从产品设计的角度对候风地动仪进行解析。

关键词：候风地动仪、材质、纹饰、尺寸。

正文：

候风地动仪是世界上第一台侦测地震的仪器，由中国东汉时期天文学家张衡于汉顺帝阳嘉元年（公元132年）制成。

但是，当时的这架地动仪并没有被后人真正的挖掘出土。南北朝时，北齐信都芳撰《器准》以及隋初临孝恭作《地动铜仪经》，都对其内部结构有所记述，并传有它的图式和制作方法。可惜的是唐代以后，二书均失传。现存的地动仪模型都是后来的研究者们推测其原理复原的。而且，关于地动仪真正的工作原理，研究者们也是众说纷纭，并没有确定的答案。因此，本文中不对其科学原理做过多的赘述。

关于地动仪，现存的明确的史料记载只有《后汉书·张衡传》中的短短一段：“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。中有都柱，旁行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。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，寻其方向，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，而地不觉动，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。”

虽然这段文字并不长，但是从中我们也可以得到许多关于候风地动仪的信息。根据这些记载，我们可以从以下几个方面对候风地动仪进行分析。

1、关于候风地动仪的材质

古文中记载，候风地动仪“以精铜铸成”。而铜器在古代并不是一般人可以拥有的，它是权利和地位的象征。据《后汉书·五行志》记载，自和帝永元四年（公元92年）到安帝延光四年（公元125

年）的三十多年间，共发生了二十六次大的地震。地震区有时大到几十个郡，引起地裂山崩、房屋倒塌、江河泛滥，造成了巨大的损失。张衡作为朝廷官员，制作地动仪的目的是为国家侦测地震，可以说候风地动仪也属于是一种皇家的朝廷的仪器。因此，用铜制象征着国家及皇室的权利和地位。从另一个方面讲，铜器比木制的器具更坚固耐用，化学性质稳定耐腐蚀，能够长期保存。而且，铜溶液流动性好，凝固时收缩率很小，因此，能够铸造出一些细部十分精巧的器物，也正适合于制造候风地动仪这种需要很高精密度的仪器。

2、关于候风地动仪的纹饰和形状

1983年钱文辉指出用“山龟鸟兽之形”来装饰，和《周易》有关。《周易》曰：“在天成象，在地成形。”朱善注曰：“象者，日月星辰之属，形者，山川动植之属。”“山龟鸟兽之形”与“地”有关。候风地动仪作为地震仪器，在外面装饰山龟鸟兽的图象，是很自然的事。钱文辉着重指出“篆文”也与《周易》有关。篆文，即象文，指《周易》中的八卦辞—乾、兑、离、震、哭、坎、良、坤。分别相应相示南、东南、东、东北、西南、西、西北、北八个方向，正应候风地动仪体外八龙衔球的方位。我们由“饰以篆文”句上推测，该仪器的外部，铸上“乾”等八字，分别表示八个不同的方位，与仪器体外八条“首衔铜丸”的按八个不动方向排列的铜龙相配应。若有地震则地震方向既有一龙吐丸表明，又可按某个挂辞聋知。这样看来，“篆文”还不光用来“饰”（装饰美化）候风地动仪，实在还有表明地震方向的实用价值。

而我国研究张衡地震仪的专家王振铎先生在1976年提出，张衡设计的地动仪，是当时浑天学说的体现。《张衡浑仪注》中说:“浑天如鸡子。天体圆如弹丸﹐地如鸡子中黄﹐孤居于天内﹐天大而地小。天表里有水﹐天之包地﹐犹壳之裹黄。天地各乘气而立﹐载水而浮。周天三百六十五度又四分度之一﹐又中分之﹐则半一百八十二度八分度之五覆地上﹐半绕地下﹐故二十八宿半见半隐。其两端谓之南北极。北极乃天之中也﹐在正北﹐出地上三十六度。然则北极上规径七十二度﹐常见不隐。南极天地之中也﹐在正南﹐入地三十六度。南规七十二度常伏不见。两极相去一百八十二度强半。天转如车毂之运也﹐周旋无端﹐其形浑浑﹐故曰浑天。”浑天说认为，天地是浑为一体的，天圆得像鸡蛋，地像包在里面的蛋黄，日、月、星辰都在蛋壳上不断地转动。因此有研究者认为，张衡设计的地动仪体似酒樽（卵形），象征浑天说的天；立有都柱的平底，表示大地，笼罩在天内；仪器上雕刻的山龟鸟兽等可能象征着山峦和青龙、白虎、朱雀、玄武等二十八宿，所刻篆文可能表示八方之气；八龙在上象征阳；蟾蜍居下象征阴，构成阴阳上下的动静的辩证关系；都柱象征天柱，居于顶天立地的地位。

不管是哪种说法，都表明候风地动仪上的纹饰篆文并不仅仅是起到装饰的作用，它更是有其实用价值，如指示方向等。而且，山龟鸟兽等纹饰象征着的青龙、白虎、朱雀、玄武等，都是古代传说中守护一方的神兽。在当时这种地震灾难多发的时期，在这样一个侦测地震的一起上，篆刻这种纹饰，

也表达了一种人民的期望和美好的寓意。蟾蜍的形态也同样寓意着吉祥幸福。而龙的形态就不仅仅是吉祥的象征了，它更多的体现了尊贵，象征着权力和地位。表达了人民对皇室对国家的敬意，以及古代人类对于天神的崇敬。

3、关于候风地动仪的尺寸

文中记载“员径八尺”，也就是直径大概2.7米，可以说是十分巨大。大多数研究者相信，候风地动仪是利用物体的惯性来侦测地震方向的。而物体的惯性只与其质量有关，候风地动仪做的如此巨大，中间的都柱想必也不会太小。而都柱大小的变化正控制着地动仪对于侦测的震动的灵敏度。如果其尺寸过小，惯性也小，那么都柱的运动状态就极易被改变，地动仪的灵敏度也随之增高，也许有人在一侧走动就会造成机关的启动，那么地动仪也就失去了作用。而反之，如果都柱太大，可能遇到震级较小或者震源较远的地震，机关也无法被启动，也同样没有用。因此，地动仪的各个部件的尺寸大小应该都是经过精心设计的，以保证地动仪有适合的灵敏度。除此之外，古代的铸铜工艺水平有限，地动仪有许多精密的机关零件，如果尺寸设计的过小可能在工艺上也无法满足。

候风地动仪比欧洲出现地震仪的时间要早一千五百年左右，它是我国古代人们智慧的象征。同时，它精巧的构造和华丽的纹饰造型，也是我国古代匠人的高超工艺的体现。据今一千多年的发明创造，到如今还是吸引着中外的众多学者研究考证，可见张衡的候风地动仪确实是一件伟大的作品。