地动仪和浑天仪。
公元132年(阳嘉元年),张衡在太史令任上发明了最早的地动仪,称为候风地动仪。据《后汉书·张衡传》记载:地动仪用精铜铸成,圆径八尺,顶盖突起,形如酒樽,用篆文山龟鸟兽的形象装饰。中有大柱,傍行八道,安关闭发动之机。它有八个方位,每个方位上均有一条口含铜珠的龙,在每条龙的下方都有一只蟾蜍与其对应。任何一方如有地震发生,该方向龙口所含铜珠即落人蟾蜍口中,由此便可测出发生地震的方向。经过试验,与所设制,符合如神,自从有书籍记载以来,是没有过的。曾经一龙机发,地不觉动,雒阳的学者都责怪不足信,几天之后,送信人来了,果然在陇西地发生地震,众人于是都服其神妙。自此之后,朝廷就令史官记载地动发生的地方。
漏水转浑天仪是一种水运浑象。用一个直径四尺多的铜球,球上刻有二十八宿、中外星官以及黄赤道、南北极、二十四节气、恒显圈、恒隐圈等,成一浑象,再用一套转动机械,把浑象和漏壶结合起来。以漏壶流水控制浑象,使它与天球同步转动,以显示星空的周日视运动,如恒星的出没和中天等。它还有一个附属机构即瑞轮冥菜,是一种机械日历,由传动装置和浑象相连,从每月初一起,每天生一叶片;月半后每天落一叶片。它所用的两级漏壶是现今所知最早的关于两级漏壶的记载。
张衡利用当时的机械技术,巧妙地把计量时间用的壶漏与浑象联系起来,即以漏水为原动力,并利用漏壶的等时性,采用齿轮系统把浑象和表示时间的壶漏结合在一起,以流水下落的力量带动齿轮,通过齿轮的转动带动浑象每日均匀地绕轴旋转一周,达到可自动地与地球同步运转的水平,自然而然地把天象演示出来.
水运浑象在中国古代天文学上具有重大的科学价值,是世界最早利用水力转动的浑天仪.它在天文仪器史上占有重要地位,对中国后来的天文仪器影响很大.唐宋以来就在它的基础上进行更完善的改进,发展成更复杂的天象表演仪器和世界最早的天文钟.
地动仪是世界第一架观测地震的仪器,于公元132年制成.张衡把它放置在洛阳的灵台,同浑象、浑仪、圭表、刻漏等天文仪器一起,供观测天文之用.
《后汉书·张衡传》中记载着候风地动仪制造的情况及其形状、构造和功能等情况.
候风地动仪用青铜铸成,圆径8尺,通高约11尺5寸,顶上有个凸起的可以启闭的盖子,外形像个酒坛子.地动仪的周围按八方附设八条垂龙,八条龙口中各衔铜珠,地上并设八个向上张口的铜蟾蜍,与龙头上下对应,候风地动仪利用惯性原理,在仪器内部中央,立有一根“都柱”,即倒立状的惯性震摆.围绕都柱设有八条滑道,滑道上面装有八组“牙机”,即传动杠杆,其外端呈曲尺形,穿有枢轴,通出仪器外面与龙头上颌接合.
一旦发生较强烈的地震,“都柱”因震动失去平衡而触动“八道”中的一道,使相应的龙口中的铜球失控而掉入蟾蜍口中,发出声响,用以报警.观测人员根据铜球“振声激荡”便可知道地震发生的方向和时间.
候风地动仪灵敏度很高,最低可测地震烈度为三度左右的地震.据记载,曾接收到震中在陇西、而洛阳人未曾感受到的地震情况,开创了人类使用科学仪器观测地震的历史,为后人积累了许多防震抗震的知识和经验.
张衡的候风地动仪是当时世界上遥遥领先的伟大发明,它的基本构造附合物理学的原理,比欧洲早了1700多年.
他创制了世界上第一架能比较准确地表演天象的漏水转浑天仪,第一架测试地震的仪器——候风地动仪,还制造出了指南车、自动记里鼓车、飞行数里的木鸟等!不过最重要的两项是地动仪和浑 天仪!
附:
张衡(78年—139年),字平子。汉族,南阳西鄂(今河南南阳市石桥镇)人[1] ,南阳五圣之一,与司马相如、扬雄、班固并称汉赋四大家。中国东汉时期伟大的天文学家、数学家、发明家、地理学家、文学家,在东汉历任郎中、太史令、侍中、河间相等职。晚年因病入朝任尚书,于永和四年(139年)逝世,享年六十二岁。北宋时被追封为西鄂伯。
张衡在天文学方面著有《灵宪》、《浑仪图注》等,数学著作有《算罔论》,文学作品以《二京赋》、《归田赋》等为代表。《隋书·经籍志》有《张衡集》14卷,久佚。明人张溥编有《张河间集》,收入《汉魏六朝百三家集》。
张衡为中国天文学、机械技术、地震学的发展作出了杰出的贡献,发明了浑天仪、地动仪,是东汉中期浑天说的代表人物之一。被后人誉为“木圣”[2] (科圣),由于他的贡献突出,联合国天文组织将月球背面的一个环形山命名为“张衡环形山”,太阳系中的1802号小行星命名为“张衡星”。后人为纪念张衡在南阳建设有张衡博物馆。