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南京82岁老专家制出还原度最高张衡地动仪模型

2018-08-26 21:51

  天文仪器专家,出生于1932年10月。1959年起在中国科学院南京天文仪器厂进行天文仪器的研制工作。1964年主持研制成43/60/80cm施密特望远镜,成为紫金山天文台观测国内外人造卫星的主要仪器。1968年研制的光学跟踪经纬仪能测定卫星发射时的初轨并能输出实时测量数据。此经纬仪在发射我国第一颗人造卫星时起了应有作用。上世纪80年代中期任南京天文仪器厂厂长。1992年离休后,仍主持研制了出口日本的1m望远镜镜筒及去西班牙调试出口的2台望远镜。

  1951年复原的地动仪模型,是当时中国唯一一件“张衡地动仪”宣传模型,后被放进历史教科书,不少学生和教师都误以为这就是真正的张衡地动仪。

  说到张衡地动仪,可以说是家喻户晓。然而它并未能流传下来,后人对它的复原研究一直没有停止过,但这些复原,要么是设计得过于“简单”而实现不了地动仪测震的功能,要么就是设计得过于“先进”而引进了现代机械学的原理。原中国科学院南京天文仪器研制中心的老专家胡宁生,通过严密的理论分析与精致的模拟实验,重新“复原”了张衡地动仪机械原理模型。日前,中科院自然科学史研究所和中国科学技术史学会在南京对该复原模型进行论证和讨论,专家认为胡老的复原是目前“对原文记载还原度最高,也未用到超过古人完全无法企及的现代技术,且原理也很科学”的复原方案。

  “《后汉书》中关于地动仪的内部,说的是‘中有都柱’。而在古文中,‘都柱’的意思是独柱或大柱,所以我认为它应该还是立柱式的。”胡宁生研究员是一位资深的天文仪器专家,为国内外制造过多种天文仪器。而他花费三个多月制造出来的地动仪“复原原理模型”,采取的就是之前被“抛弃”的立柱式。

  研讨会现场,胡宁生带来了复原模型。“这次带来的复原模型主要展示的是原理结构,外形还可以进一步改进。”之前其他学者之所以认为“立柱式”不可行,就是因为想要达到高灵敏度,“立柱”须做得“细如发丝”,而这么细的柱子根本立不起来。“所以,立柱的形状要有正确的设计。”胡宁生告诉记者。

  记者看到,整个复原模型“最重要”的部件由一根近2米、直径为80毫米的空心铝管组成。而它的“玄妙”之处,就在于立柱的着地处。“我设计的着地处,是直径仅有4毫米的硬质件。”胡宁生指给记者看,“打个比方,整个立柱就像一根被削过的铅笔,笔芯被削得很细,但是笔尖处我们将它弄平。”

  因为监测震动需要极高的灵敏度,所以对于立柱“着地处”的要求也很高,甚至连一粒我们肉眼看不见的灰尘都会影响它。“如果着地处混入了灰尘,虽然灰尘只有2微米,只相当我们头发丝的四十分之一,但是在受到立柱的放大效应之后,它就能让整根立柱的重心横移0.36毫米以上,立柱也许就根本立不起来了。”胡宁生说。

  此外,着地面在立柱多次倾倒后,要保证其边缘不能被丝毫压凹,否则,也会引起立柱无法直立。“比如说我们在已经和好的面饼上,用手指按下一个凹陷区,你可以发现凹陷区的四周是鼓起来的。”所以,对于这根立柱来说,其着地接触面上既不允许有灰尘,更不容许出现凸起之处。

  “正因为这些原因,我将着地处设计成凹面,这样既好竖立,而且即便有灰尘等异物,它们也会落进凹陷区,不会造成太大的影响。”胡宁生说。此外,立柱下的支撑面也采用极硬的材料。“在我的复原模型中采用的是轴承钢板,保证着地件与支撑件经过数次‘接触’后双方都不会变形。”胡宁生推测张衡用了蓝宝石之类的硬质材料来做着地件并用玛瑙类的材料作支撑板。这次研讨会上展示的着地件用了四个小钢球,可很好地避免现代城市灰尘的影响。

  胡宁生介绍说,未经平衡处理而偏重的立柱在被随机放置后会向四周乱倒,所以立柱的重心必须被精确调整到下方那个很小的着地处中心的正上方。

  设计方案再好也要经过“实战”的检验,胡宁生在地动仪下方的底盘用可控的加速度控制器给出一个轻轻的推动力,底盘上的立柱就倒了下去,而且倒的方向就是应有的方向。柱子倒下后,外部的小球随之落下。但是即使多人在地动仪旁边跳跃,这样的震动却不会让立柱倒下来。“实验证明,我设计的立柱既能站起来,也能防止一般的扰动,并能正确倒向轻微地动方向。”胡宁生说,其验震灵敏度达到1—2gal(千分之一的地心引力加速度为1gal),已经优于人的震感灵敏度(5—20gal)。

  不过,胡宁生也表示,因为强地震波在超过约600公里以后就不会按照直线传播,所以这种地动仪验震的距离小于600公里左右。“而且力的运动会造成惯性,所以我在试验中也发现,大概有10%的几率是倒在了受力的相反方向。”

  在实际的应用中,如果600公里以内的某个地方发生了地震,地动仪中间的立柱就会倒向地震发生的方向,外部的小球也随之落下。但是地震仪只能测定地震发生的方向,并不能精确定位具体的地震位置,这一点,张衡自己设计的地震仪也做不到。

  研讨会上,中科院自然科学史研究所研究员孙小淳告诉记者,“应该说,在吸取了之前各种复原方案的经验后,这次的复原模型无论从外形还是原理,都更接近文献记载。”当然还有一些具体问题如复位、复原工艺材料、实际验证等问题需要进一步研究。

  与会专家表示,接下来会把复原工作继续下去,特别是要加大对模拟实验的研究,“我们最终希望,在这次的基础上,进一步设计加工,制成完整的张衡地动仪复原模型,让新复原的张衡地动仪,走进博物馆、科技馆,走进我们的社会。”

  张衡一生发明创造了很多科技瑰宝,其中地动仪最为后人熟知。然而后人知道它的唯一途径,就是《后汉书》中仅有的196个字。对地动仪的复原研究早在130年前就开始了。复原地动仪,其中最关键的问题是对“都柱”的理解,由于理解不同而产生了复原的“立柱”、“倒立摆”、“悬垂摆”等方案。近代地震学奠基者、英国人米尔恩,在看到对地动仪的介绍后,也曾经用立柱做过实验。但实验中立柱在受到轻微的动后就会向四面乱倒,根本不能指示地动方向。所以他认为,张衡地动仪只有用“悬垂摆”才能成功,也就是从地动仪的上部垂下来一根摆,用以判明地震方向,并控制相应机关。

  1936年,燕京大学研究生院历史专业的学生王振铎发表《汉张衡候风地动仪制法的推测》一文,画出了第一套自己复原的地动仪模型图稿。对于内部结构,他遵从了米尔恩的“悬垂摆”的结构原理。但是,王振铎之后不久认识到,“悬垂摆”模型并不符合文献中“都柱”的说法。

  1951年,王振铎对“直立杆”模型的工作原理进行推断并做出了张衡地动仪的展览模型,陈列在中国历史博物馆。在那样一个特殊的年代,王振铎复原的地动仪成为新中国唯一一件“张衡地动仪”宣传模型,该模型还被放进教科书中,演变成几代人的集体记忆。

  1972年,日本人关野雄又用力学证明“立柱体”是不可能达到观测地震需要的灵敏度的。能灵敏感知地震的立柱需要做得很细,比如一根2米高的立柱,如果要有高灵敏度,它的粗细只有2毫米,这样细丝般的立柱是无法站立的。

  2005年,国家地震局成立了“张衡地动仪科学复原研究课题组”并制造了他们的复原模型,采用的是悬垂摆来验震。

  复原张衡地动仪,出现过很多方案,有“立柱”模型、“倒立摆”模型、“悬垂摆”模型等。 胡先生对自己使用的“立杆”模型, 在力学知识、力学原理上阐述得非常清楚,纠正了过去认为“立不起来”、“会乱倒”的一些错误看法,很有说服力。今后可以把这个模型与已有的其他复原模型例如中国科技大学李志超先生的复原模型进行比较研究,以复原出真正符合张衡原意的地动仪来。

  过去王振铎的“立杆”模型遇到了困难,所以有人采用“悬摆”模型。现在胡先生的模型,等于又把话语权拉回“立柱”模型,与古籍记载更加符合。而且通过胡先生细致的研究和试验,解决了“立杆”模型原来遇到的问题。关于灵敏度问题,胡先生的工作也解决得比较好。

  之前有不少人质疑张衡地动仪,甚至认为它是不存在的。胡宁生研究员的这次设计,符合文献资料,而且也没有用到超过古人无法达到的科学原理,所以首先可以证明,张衡地动仪在历史上肯定是存在过的。

  复原古代发明,大家都会不由自主地设想古代的仪器是多么灵敏,复原也要达到那样的灵敏度。其实我们对于古人的发明创造,不能要求“太苛刻”,更应该把它看作是一种按照某种思想设计的仪器,用来对自然界的现象进行观测。设想的精度可能要求很多, 具体实现起来会受各种因素的影响,即便是现在,制造科学仪器也是如此。

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