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张衡发明的地动仪到底有用吗?如何从力学的角度进行分析?

我们可以从力学的角度来分析张衡发明的地动仪是否有用。下面给大家详细介绍一下。让我们看看!

众所周知,张衡时代的仪器是机械仪器。当时没有电子设备。没有传感器、模拟电路和数字电路。唯一的是青铜器。然后,张衡在公元134年前制作的地动仪的核心部件是一个青铜圆柱——根据《后汉书》的模糊记载,我们可以大致判断圆柱可以有三种不同的可能性,即:

a:上端自由,下端固定

b:自由下端,固定上端

c:上端和下端都是免费的,没有固定的

三种不同的圆柱摆放方式

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地震发生前,圆柱会朝某个方向倾倒,撞到方向上的龙吐出珠子,被下面的蟾蜍抓住。

因此,从力学原理的角度来看,当地震来临时,圆柱体会倾倒,这就是所谓的“共振”物理原理。

共振是指铜柱的固有频率(任何固体都有固有频率,所有桥梁都有固有频率,如果军队在桥梁上行走的频率与桥梁的固有频率相同,就会产生共振)和地震前发射的次声波(频率小于20赫兹的声波)的频率非常非常接近,铜柱从地震次声中吸收能量,导致共振,铜柱的振幅越来越大,它很快就会倒塌。

因此,可以说张衡的“地动仪”是利用“共振”原理工作的,这是值得肯定的(地震前的二次声波传播速度非常快,在地震纵横波传播之前,二次声波提前到达事故现场,因此地动仪具有一定的预测地震的作用),但“地动仪”无法确定地震的方向。

用共振来解释生活现象,从东汉到晋朝,已经成为当时学术界的主流思想之一。晋学者张华曾在他的书《博物馆》中解释过一个现象:当时,一些普通人的铜脸每天早晚都会莫名其妙地颤抖,发出嗡嗡声,张华解释说,这是铜脸的固有频率和宫殿早晚两次敲钟的频率,共振。

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因此,张华的理论也可以解释张衡的地动仪。

由于张衡的地动仪早已失传,我们现在能看到的地动仪模型都是后人根据史籍恢复的。其中最常见的老模型,即1951年的王振铎模型,近年来被证明从外观到原理都是错误的。另一种模型是由中国地震局冯锐(2005年)提出的,即“都柱”是悬挂的,下面有一个小球。球位于“米”形滑道的交汇处(即《后汉书·张衡传》中的“关”)。地震时,“都柱”拨动小球,小球击中控制龙口的器官,打开龙口。此外,冯锐模型还将蛤蟆从面向瓶体改为背向瓶体,充当仪器脚。该模型经过模拟测试,上述第二种情况的圆柱灵敏度较高,可以在地震发生时做出良好的响应,但无法感知地震的方向。试验结果与历史记录(张衡地动仪预测陇西地震)一致。

因此,为了预测地震的方向,需要更先进的仪器设备,这是东汉张衡不可能完成的任务。


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