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科學(xué)家張衡制造地動儀的故事
地動儀是一種監(jiān)視地震的發(fā)生，記錄地震相關(guān)參數(shù)的儀器。下面小編就為你帶來科學(xué)家張衡制造地動儀的故事，歡迎大家分享！
人物介紹
張衡(78年—139年)，字平子。漢族，南陽西鄂(今河南南陽市石橋鎮(zhèn))人 ，南陽五圣之一，與司馬相如、揚雄、班固并稱漢賦四大家。中國東漢時期偉大的天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、發(fā)明家、地理學(xué)家、文學(xué)家，在東漢歷任郎中、太史令、侍中、河間相等職。晚年因病入朝任尚書，于永和四年(139年)逝世，享年六十二歲。北宋時被追封為西鄂伯。
張衡在天文學(xué)方面著有《靈憲》、《渾儀圖注》等，數(shù)學(xué)著作有《算罔論》，文學(xué)作品以《二京賦》、《歸田賦》等為代表。《隋書·經(jīng)籍志》有《張衡集》14卷，久佚。明人張溥編有《張河間集》，收入《漢魏六朝百三家集》。
張衡為中國天文學(xué)、機(jī)械技術(shù)、地震學(xué)的發(fā)展作出了杰出的貢獻(xiàn)，發(fā)明了渾天儀、地動儀，是東漢中期渾天說的代表人物之一。被后人譽(yù)為“木圣”(科圣)，由于他的貢獻(xiàn)突出，聯(lián)合國天文組織將月球背面的一個環(huán)形山命名為“張衡環(huán)形山”，太陽系中的1802號小行星命名為“張衡星”。后人為紀(jì)念張衡在南陽建設(shè)有張衡博物館。
科學(xué)家張衡制造地動儀的故事
中國的歷史上，除了文人雅士、帝王將相，也有很多的科學(xué)家，張衡就是其中很著名的一個。張衡一生做了很多的事情，但是，他最有名的發(fā)明就是“地動儀”了。那個時期，經(jīng)常發(fā)生地震。有時候一年好幾次。發(fā)生一次大地震，就會給老百姓和國家?guī)砗芏嗟膫Α?/p>
當(dāng)時的皇上和老百姓都把地震看作是不吉利的征兆，認(rèn)為是鬼神造成的。張衡卻不信神邪，他對記錄下來的地震現(xiàn)象經(jīng)過細(xì)心的考察和試驗，發(fā)明了一個能測出地震的儀器，叫做“地動儀”。
地動儀是用青銅制造的，形狀像一個酒壇，四圍鑄著八條龍，龍頭伸向八個方向。每條龍的嘴里含著一顆小銅球，龍頭下面，蹲了一只張著大嘴的蛤蟆。哪個方向發(fā)生了地震，朝著那個方向的龍嘴就會自動張開來，把銅球吐出。銅球掉在蛤蟆的嘴里，發(fā)出響亮的聲音，就告訴人們那邊發(fā)生地震啦。
公元138年2月的一天，地動儀正對著西方的龍嘴突然張開來，吐出了銅球，這是報告西部發(fā)生了地震呀。可是，那天洛陽一點地震的跡象也沒有，更沒有聽說附近有什么發(fā)生了地震。于是，朝庭上下都議論紛紛，說張衡的地動儀是騙人的玩意兒。過了沒幾天，有人騎著快馬來向朝廷報告，離洛陽一千多里的金城、隴西一帶發(fā)生了大地震，連山都有崩塌下來的。大伙兒這才真正的信服了。
張衡雖然后來在政治上并不順利，但是，他的這些科學(xué)發(fā)明和實驗在我國科學(xué)史上留下了光輝的業(yè)績。
科學(xué)家張衡主要成就
天學(xué)
張衡主張渾天說，主張?zhí)焓乔驙畹�，像個雞蛋，天相當(dāng)于蛋殼，大地像蛋黃，天把大地包在當(dāng)中，大地是平面的，周圍是水，大地浮在水上。 張衡在東方最早正確說明月食，指出月食是由于地球的影子“暗虛”遮掩了月亮而引起的，并測得日、月的視直徑約為365.25/730度，約等于0.5度，與現(xiàn)今測值相近。 張衡繪制了星圖，記錄星官124個，星星有2500顆，其中320顆有名字， 指出歷法制定必須根據(jù)實測結(jié)果，曾在123年參與歷法辯論，反對依據(jù)圖讖而制定的“甲寅歷”。 他根據(jù)月亮運行有遲疾的規(guī)律，以“九道法”為基礎(chǔ)提出新歷，但未被朝廷采納。 他提出五星視運動的理論，認(rèn)為就同一行星而言，其運行軌道與地面時而接近，時而遠(yuǎn)離，以“近天則遲，遠(yuǎn)天則速”解釋五星運行的快慢。 張衡將運動緩慢的外行星火星、木星、土星，歸類為陽，將運動較快的內(nèi)行星水星和金星，歸類為陰。張衡沒有認(rèn)識到北極高度會隨地點而變化，定出北極高度是36度， 他未能認(rèn)識歲差，因冬至點難以觀測，只從西漢末年所測的舊數(shù)值換算，定出冬至點以黃道度量為入斗宿20度，較當(dāng)時實際情況偏東超過3度。他定出冬至黃道最遠(yuǎn)時去極115度，夏至黃道去極67度，因受儀器所限，數(shù)據(jù)稍欠精確。
張衡撰有《靈憲》，敘述宇宙生成論，其觀點接近西漢《淮南子·天文訓(xùn)》。他提出宇宙形成的三個階段，首先是“溟滓”，是氣的原始狀態(tài)，是“無”的階段，為道的根本；第二是“龐鴻”，是元氣開始發(fā)動、連結(jié)在一起、混沌不分的狀態(tài)；第三是“太元”，元氣分化，有剛?cè)崆鍧嶂郑斓馗髯孕纬�，陰陽四時變化而生萬物。他認(rèn)為天圓地平，天是一個中空的球體，地是半球體，上平下圓，處于天體下半部。八極約長二億三萬二千三百里，南北少一千里，東西多一千里，天地距離和地的厚度，都等于八極的一半。他指出宇宙是無窮無極的，肯定時間與空間的無限性，提出以“氣”為基本的自然觀，人是元氣的聚合，如水之凝結(jié)為冰，人死是元氣消散，如冰塊融化為水，復(fù)歸于元氣，與自然成為一體。
地學(xué)
132年，張衡發(fā)明和制造了世界第一部驗震器“候風(fēng)地動儀”，其形狀像圓形酒甕，斷面直徑八尺，其內(nèi)中央置有一根很重的柱子，稱“都柱”，可以向八個方向傾側(cè)或傾擺；酒甕外部的八個方向各有一個龍頭，龍頭下各有一只蟾蜍，張口對著龍頭，八條龍各口含銅丸一顆，當(dāng)都柱向某一方傾側(cè)時，該方向的龍口張開，銅丸落下，掉入蟾蜍口中。地震發(fā)生時，只有震源方向上的龍頭張口，據(jù)此可知地震的方向。134年隴西地震，雒陽并無震感，但一個龍口掉出銅丸，其后傳來隴西地震的消息，證實其功效。而候風(fēng)地動儀所謂的“候風(fēng)”，是指測定風(fēng)的變化，地震被認(rèn)為是陰陽兩氣相搏而形成，氣的變化會產(chǎn)生風(fēng)，哪個地方有地震，哪個方向就有氣的變化，就有風(fēng)來可以測到。候風(fēng)地動儀流傳到隋代，北朝信都芳、隋代臨孝恭都有研究，到唐代失傳。
地動儀利用物體的慣性來測震，學(xué)界對其構(gòu)造有兩種主流看法。其一認(rèn)為，都柱是個掛起的懸擺，又重又粗，都柱下有一小銅球，組成觸發(fā)機(jī)制，在地震波水平運動中，都柱移位，小銅球脫落，撞擊機(jī)關(guān)，又或都柱帶動八條向八個方位伸出去的臂，連接扛桿，當(dāng)都柱向某一方向擺動時，龍口就會張開。另一種觀點是，都柱是一種倒立的震擺，附有重錘，安裝在底座上，周圍有八組機(jī)械裝置，一旦地震，重錘傾側(cè)，都柱失去平衡，觸道機(jī)械裝置，使相應(yīng)的龍口張開。日本學(xué)者曾以直立震擺式的地動儀模型做實驗，證明地震初震很強(qiáng)的話，銅丸會因初到的縱波而落下，確定地震的方向；但其他學(xué)者卻指出，直立震擺的傾倒方向有隨機(jī)性，對震動反應(yīng)遲鈍，沒有驗震作用，直立震擺底部所用的彈簧，也不可能是漢代技術(shù)水平的產(chǎn)物，而懸擺式的地動儀模型，則通過中國地震學(xué)者用振動臺模擬地震狀態(tài)的試驗，得到中國學(xué)術(shù)界的認(rèn)可。 張衡地動儀比直至19世紀(jì)前期西方的水銀地震儀更先進(jìn)，亦有個別學(xué)者質(zhì)疑《后漢書》中有關(guān)地動儀的記載，指出從現(xiàn)代地震學(xué)的觀點看，若單獨一個儀器，僅在一個地點進(jìn)行測量，難以測定震源。近年來，又有學(xué)者認(rèn)定都柱是精密的、小“著地面”的立柱。另有學(xué)者提出復(fù)合物理擺加機(jī)械杠桿放大的地動儀復(fù)原技術(shù)方案。
116年，張衡繪制和呈獻(xiàn)地圖“地形圖”，流傳到唐代。李約瑟推測張衡曾運用計里畫方的網(wǎng)格繪圖，但此說受其他學(xué)者質(zhì)疑。
文學(xué)
張衡是辭賦名家，將漢賦推向高峰，由歌功頌德的辭賦發(fā)展為抒情小賦�！段骶┵x》假借憑虛公子之口，描寫長安地理形勢、漢高祖的定都、西都的豪華、宮殿的宏偉、城廓的寬大、市場的繁榮、商賈的欺詐、游俠的作風(fēng)、園林中的游獵，《東京賦》則假借安處先生之口追溯歷史，從周、秦、兩漢各代帝王，贊頌漢高祖、漢文帝、漢武帝等，描寫雒陽形勝和漢室儀軌；二賦也描述宗教活動和民間風(fēng)俗，如持守色戒的西域僧人、雜技歌舞等“百戲”表演、驅(qū)邪的大儺儀式，有其史料價值，可補(bǔ)正史的不足；《西京賦》即為南北朝《三輔黃圖》和北宋宋敏求《長安志》多次引用，以說明長安面貌。 《二京賦》引用不少五經(jīng)句子，文句為何晏《景福殿賦》、左思《蜀都賦》等后世辭賦襲用�！赌隙假x》則盛贊當(dāng)時被朝廷忽略的南陽城，但形式較呆板笨拙，語言則較艱深晦澀。有學(xué)者認(rèn)為《二京賦》并不以“諷諫”為主題，是辭賦創(chuàng)作由“諷諫”轉(zhuǎn)“頌美”轉(zhuǎn)變的標(biāo)志。
張衡《思玄賦》是抒情表志的作品，發(fā)表自己的理想，模仿楚辭《遠(yuǎn)游》和班固的《幽通賦》，重復(fù)屈原在《遠(yuǎn)游》中的尋求，先去東、南、北三方，登上蓬萊，在瀛州采芝，又去拜會西王母，上了仙宮“瓊宮”，盡享聲色之娛，然后回到故鄉(xiāng)。張衡深受楚辭影響，常引用楚地傳統(tǒng)的神話，《思玄賦》引用最多的就是楚辭。《歸田賦》開拓辭賦中田園歸隱的主題，表達(dá)其退隱之心，反對宦官當(dāng)權(quán)，政治腐敗而自己無力拯救，有不愿同流合污之意，文中贊美民間的田園生活，山水景色使人心曠神怡，是漢賦中罕見的短篇，啟導(dǎo)陶淵明《歸去來辭》等后世抒發(fā)歸隱之情的作品，所寫自然風(fēng)景歡樂和諧，也啟導(dǎo)王羲之《蘭亭集序》等后世文章，文中道家思想鮮明，可說是后世玄言詩的先驅(qū)。
有后人批評張衡的辭賦缺乏獨創(chuàng)性，主要模仿前人著作，如《二京賦》模仿班固《兩都賦》，《南都賦》模仿?lián)P雄《蜀都賦》，《應(yīng)間》模仿東方朔《答客難》，《七辯》則模仿枚乘《七發(fā)》。 但張衡的辭賦在句式、結(jié)構(gòu)布局上的創(chuàng)變，以及在題材、小品化、語言風(fēng)格、結(jié)構(gòu)立意上的新探索,一改傳統(tǒng)賦風(fēng),深深影響著漢末魏晉的辭賦創(chuàng)作；其《七辯》與傅毅《七激》改傳統(tǒng)“問疾”主旨為“招隱”,在主題、風(fēng)格和形式上都對后世產(chǎn)生了巨大影響。
詩歌方面，張衡創(chuàng)作七言古詩《四愁詩》，脫離了楚歌的句式，接近純粹的七言詩，屈原以“香草美人”隱喻政治關(guān)系的表現(xiàn)手法,經(jīng)由張衡的運用與發(fā)揮,形成一種重要的詩歌表達(dá)模式。張衡《同聲歌》則是新娘向新郎的傾訴，描寫新婚的優(yōu)美，詩中還提到房中術(shù)著作《素女經(jīng)》的內(nèi)容。
思想
在政治上，張衡堅持批判現(xiàn)實，對宮廷政治的污濁奸詐深感憂憤，反對王侯貴族的奢侈生活。他受道家思想影響，主張無為，有人生無常、遁隱厭世的思想，企圖超越世俗生活，其宇宙論也體現(xiàn)道家觀念，晩期作品《思玄賦》道家傾向更強(qiáng)。張衡繼承了西漢儒家董仲舒的災(zāi)異、天人感應(yīng)之說，認(rèn)為星象變異和地震等災(zāi)異，是上天對世人和朝廷的譴告，這促使他制造更精密的儀器去認(rèn)識宇宙和偵測地震，以察知天意；但他反對讖緯預(yù)言，曾上《請禁絕圖讖疏》，指出圖讖弄虛作假，為迎合當(dāng)權(quán)者而偽造。他推崇西漢揚雄的《太玄》，認(rèn)為“玄”是宇宙的根本原理，《太玄》一書深奧而難以理解。他相信天上有許多神、星神、四方神、天皇等等，不但天上有神，山林原野都有神靈，天體的組織，則與地上朝廷政府的組織相對應(yīng)，月亮上有蟾蜍，由嫦娥所變，星星會影響人的命運。張衡熟悉“風(fēng)角”之術(shù)，認(rèn)為可透過觀風(fēng)而知禍福，相信占卜，宇宙間有某種神秘力量，絕非所有事物都可用理性解釋。
數(shù)學(xué)
130年前后，張衡完成推算圓周率。據(jù)三國時劉徽《九章算術(shù)注》，張衡認(rèn)為立方體及其內(nèi)接球體積之比，是8:5，由立圓術(shù)公式推求圓周率，得出圓周率是10的平方根。南北朝祖暅《渾天論》則提到張衡提出的另一個數(shù)字：736/232=3.1724。另有學(xué)者認(rèn)為今本文獻(xiàn)有衍文，張衡的數(shù)字其實是較準(zhǔn)確的730/232=3.1466,此說未被廣泛接受。張衡的圓周率數(shù)字頗為粗疏，受劉徽嚴(yán)詞批評，西漢末年劉歆指出圓周率為3.1547，已比張衡更準(zhǔn)確；但張衡的計算并非倚靠實測，是基于理念，仍有開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。張衡也曾研究球體體積，但沒有重大進(jìn)展。
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