張衡是我國東漢時期偉大的天文學家、數學家、發明家、地理學家、制圖學家、文學家、學者，在漢朝官至尚書，為我國天文學、機械技術、地震學的發展作出了不可磨滅的貢獻。那么你知道張衡發明地動儀的故事嗎?一起來看看小編給大家精心準備的資料，歡迎閱讀!

　　張衡發明地動儀

　　中國的歷史上，除了文人雅士、帝王將相，也有很多的科學家，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，他最有名的發明就是“地動儀”了。那個時期，經常發生地震。有時候一年好幾次。發生一次大地震，就會給老百姓和國家帶來很多的傷害。

　　當時的皇上和老百姓都把地震看作是不吉利的征兆，認為是鬼神造成的。張衡卻不信神邪，他對記錄下來的地震現象經過細心的考察和試驗，發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，發出響亮的聲音，就告訴人們那邊發生地震啦。

　　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，他的這些科學發明和實驗在我國科學史上留下了光輝的業績。

　　拓展：發明創造

　　多級刻漏

　　刻漏是我國古代最重要的計時儀器。目前傳世的三件西漢時代的刻漏，都是所謂“泄水型沉箭式單漏”。這種刻漏只有一只圓柱形盛水容器。器底部伸出一根小管，向外滴水。容器內水面不斷降低。浮在水面的箭舟(即浮子)所托著的刻箭也逐漸下降。刻箭穿過容器蓋上的孔，向外伸出，從孔沿即可讀得時刻讀數。這種刻漏的計時準確性主要決定于漏水滴出的速度是否均勻。而滴水速度則與管口的水壓成正比變化。即隨著水的滴失，容器內水面越來越降低，水的滴出速度也會越來越慢。

　　為了提高刻漏運行的均勻性和準確性，古人想了兩步對策。第一步是把泄水型沉箭式改為蓄水型浮箭式，即把刻漏滴出的水收到另一個圓柱形容器內，把箭舟和刻箭都放在這個蓄水容器內，積水逐漸增多，箭舟托著刻箭漸逐上升，由此來求得時刻讀數。第二步則是在滴水器之上再加一具滴水器。上面的滴水器滴出的水補充下面滴失的水，這樣，可使下面的滴水器水面的下降大大延緩，從而使下面的滴水器出水速度的穩定性得到提高。這樣的刻漏稱為二級刻漏。如果按這思路類推，可以在二級刻漏之上再加一級，則刻漏運行的穩定性又可提高。這就成�HBA�三級刻漏，如此等等。大概在隋唐以后，中國發展出了四級和四級以上的刻漏。不過，關鍵的從單漏到二級漏這一步發生在什么時代?在張衡以前的文獻和考古實物中都沒有提供明顯的資料。

　　不過在一篇題為《張衡漏水轉渾天儀制》的文章中描述了張衡所用的刻漏是一組二級刻漏。這篇文章當是張衡或其同時代人的作品，原文已佚，現只在唐初的《初學記》卷二十五中留有幾段殘文。文如下：“以銅為器，再疊差置。實以清水，下各開孔。以玉虬吐漏水入兩壺，右為夜，左為晝”。“(蓋上又)鑄金銅仙人，居左壺;為金胥徒，居右壺”。“以左手把箭，右手指刻，以別天時早晚”。其中所謂疊置當是指二具刻漏上下放置。所謂差置是指上下二具容器放置得不相重而有所錯開。所謂再疊差置當是指有三層容器錯開疊放。至于下面的蓄水壺又分左、右兩把，那是因為古代的時刻制度夜間和白天有所不同，所以張衡干脆就用二把。同時，這樣也便于刻漏的連續運行。

　　渾天儀

　　張衡在創作了渾天儀之后曾寫過一篇文章。此文全文已佚。只是在梁代劉昭注《后漢書·律歷志》時作了大段引述而使之傳世。劉昭注中把這段文字標題為《張衡渾儀》。稱之為“渾儀”可能是劉昭所作的一種簡化。在古代，儀器的定名并不嚴格。雖然后世將“渾儀”一詞規范為專指觀測儀器，但在隋、唐以前，“渾儀”也可用于表演儀器。劉昭所引此文與前面提到的《張衡漏水轉渾天儀制》是否原屬一篇文章，此事也已無可考。不過從二者標題文字相差甚大這一點來說，說是二篇文章也是有理由的。不管這事究竟如何，單說劉昭所引，近人已有證明，它應是張衡原作。

　　我們考察劉昭所引的這一段文字大約有三個內容。第一部分講渾天學說和渾天儀中天極、赤道和黃道三者相互關系及彼此相去度數。第二部分講所謂黃赤道差的求法和這種差數的變化規律。這是這一殘文中的最多篇幅部分。第三部分講黃道二十八宿距度以及冬、夏至點的黃道位置。仔細研究這篇殘文可以得到兩點重要信息。

　　其一，文中介紹了在天球儀上直接比量以求取黃道度數的辦法：用一根竹篾，穿在天球兩極。篾的長度正與天球半圓周相等。將竹篾從冬至點開始，沿赤道一度一度移動過去，讀取竹篾中線所截的黃道度數，將此數與相應的赤道度數相減，即得該赤道度數(或黃道度數)下的黃赤道差。從這種比量方法可以悟得，中國古代并無像古希臘那樣的黃經圈概念。中國古代的黃道度數實際是以赤經圈為標準，截取黃道上的弧段而得。這種以赤極為基本點所求得的黃經度數，今人名之為“偽黃經”、“極黃經”(實際當名為“赤極黃經”)等等。對于像太陽這樣在黃道上運動的天體，其偽黃經度數和真正的黃經度數是相等的。而對黃道之外的天體，則二者是有區別的(當然，除了正好在二至圈——過冬、夏至點及赤極、黃極的大圓——上的點之外)，距黃道越遠，差別越大。

　　其二，文中給出了所謂黃赤道差的變化規律。將赤道均分為24等分。用上述方法求取每一分段相當的黃道度數。此度數與相應赤道度數的差即所謂黃赤道差。這是中國古代所求得的第一個黃赤道差規律。黃赤道差后來在中國歷法計算中起了很重要的作用，作為首創者的張衡其貢獻也是不可磨滅的。

　　除了劉昭所引的這段文字之外，在晉、隋兩《書》的“天文志”里所引述的葛洪的話中轉引了一段題為《渾天儀注》的文字;在唐代《開元占經》第一卷里編有一段題為《張衡渾儀注》和一段題為《張衡渾儀圖注》的文字。把這3段文字和劉昭所引的《渾儀》一文相比較后可以知道，葛洪所引的《渾天儀注》這段文字不見于劉昭所引，而見于《張衡渾儀注》中。《張衡渾儀注》的剩余部分和《張衡渾儀圖注》即是劉昭所引文字的分割，但又有所增刪。除此之外，在《開元占經》卷二十六“填星占”中還有3小段題為《渾儀》的文字;卷六十五的“天市垣占”下小注中有題為《張衡渾儀》的文字一句。這4段文字也不見于劉昭所引。總括上述情況，可以得出兩點結論：其一，劉昭所引只是張衡《渾儀》一文的節選。張衡原文的內容更為豐富一些。但豐富到何種程度，現已無可考。且自《隋書· 經籍志》以來的目錄著作中，對《渾儀》(或《渾天儀》)一文從來只標注為“一卷”。因此，想來不會有驚人的數量出入。其二，張衡《渾儀》一文確曾被人作過注，還補過圖注。注和圖注大概不是一人所注，且大概不是張衡本人所加，否則就不會有單獨的《渾儀》一文的存在了。

　　這幾段與《渾儀》有關的文字中當代研究家最關心的是葛洪所引的《渾天儀注》是否是張衡原作的問題。因為這一段文字素來被現代研究家視作中國古代渾天說的代表作，甚至視其地位猶在《靈憲》之上。過去人們當然把它看作是張衡的作品。但到70年代末，有人對此提出了全盤的否定。認為所有冠以或不冠以張衡之名的《渾儀》、《渾儀注》、《渾儀圖注》、《渾天儀注》等等都是后人的作品。嗣后，又有人對之作了全面的辯駁，維護了傳統的觀點。這一段爭論前后歷時長達12年。現在看來，全面否定張衡有《渾天儀》一文傳世的論點已基本失敗，即至少可以肯定，劉昭所引的《渾儀》一文是張衡原作。但否定者仍有其歷史貢獻，他啟發人們去注意古代文獻流傳中的復雜情況。例如，過去人們并未認識到《渾儀》一文還有行星和恒星等方面的內容。同時，也仍然還有理由可以懷疑葛洪所引《渾天儀注》一段是否是張衡原注。因為第一，這一段名之為“注”，而在古代文獻中，加不加“注”字是有本質差別的。不加“注”字的是指原文，加“注”字的就有注文。既然有不加注字的《渾天儀》，則加“注”字的《渾天儀注》就不只是《渾天儀》原文，而且還有注文。第二，《渾天儀注》的思想就其正確面而言，并不超出《靈憲》。如果我們把《靈憲》中的地看作是浮于水面，孤居天中央，遠較天為小的陸地的話，那么這與《渾天儀注》所說的“地如雞子中黃，孤居于天內，天大而地小。天表里有水，天之包地猶殼之裹黃。天地各乘氣而立，載水而浮”等這段綱領性的話并無矛盾。反之，《渾天儀注》中認為“北極……出地上三十六度”，這段話當不可能是注重實際觀測的張衡的結論。張衡的誕生地南陽，長期當太史令的地點洛陽，都不會有北極出地三十六度的現象。根據他曾到過全國很多地方的經歷來看，張衡也似乎不應有北極出地為固定值的概念。這大概也正是他在《靈憲》一文中未提北極出地數值的原因。有鑒于此，寧可把《渾天儀注》的作者問題作為存疑，而期待今后的研究與發現。

　　瑞輪

　　莢更是一件前所未有的機械裝置。所謂莢是一種神話中的植物。據說長在堯帝的居室階下。隨著新月的出現，1天長1個莢，到滿月時長到15個莢。過了月圓之后，就一天掉1個莢。這樣，數一數莢的莢數就可以知道是在一個朔望月中的哪一天和這天的月相了。這個神話曲折地反映了堯帝時天文歷法的進步。張衡的機械裝置就是在這個神話的啟發下發明的。聽謂“隨月盈虛，依歷開落”，其作用就相當于現今鐘表中的日期顯示。

　　遺憾的是關于張衡渾天儀中的動力和傳動裝置的具體情況史書沒有留下記載。張衡寫的有關渾天儀的文章也只留存片斷。這片斷中也沒有提及動力和傳動裝置問題。近幾十年來，人們曾運用現代機械科技知識對這個裝置作了一些探討。最初，人們曾認為是由一個水輪帶動一組齒輪系統構成。但因有記載明言渾天儀是“以漏水轉之”，而又有記載明言這漏水又是流入一把承水壺中以計量時間的。因此，就不能把這漏水再用來推動原動水輪。所以，原動水輪加齒輪傳動系統的方案近年來受到了懷疑。有人提出了一種完全不同的設計。他們把漏壺中的浮子用繩索繞過天球極軸，和一個平衡重錘相連。當漏壺受水時壺中水量增加，浮子上升，繩索另一頭的平衡錘下降。這時繩索牽動天球極軸，產生轉動。此種結構比水輪帶動齒輪系的結構較為合理。因為(i)張衡時代的齒輪構造尚相當粗糙，難以滿足張衡渾天儀的精度要求。(ii)這個齒輪系必含有相當數量的齒輪，而齒輪越多，帶動齒輪旋轉的動力就必須越大。漏壺細小緩慢的水流量就越難以驅動這個系統。(iii)更關鍵的是前面已提到的漏壺流水無法既推動儀器，又用于顯示時刻。而浮子控制的繩索傳動就可避開上述三大困難。人們已就此設想做過小型的模擬實驗。用一個直徑為6.5厘米，高3.5厘米的圓柱形浮子和一塊27克重的平衡重錘，就可通過繩索帶動質量為1040克的旋轉軸體作比較均勻的轉動。其不均勻的躍動在一晝夜中不過數次，且躍動范圍多在2°以下，這種誤差在古代的條件下是可以允許的。因此，看來浮子- 平衡重錘- 繩索系統比原動水輪- 齒輪系統的合理性要大一些。不過，張衡的儀器是個直徑達1米以上的銅制大物。目前的小型實驗尚不足以保證在張衡的儀器情況下也能成功，還有待更進一步的條件極相近的模擬實驗才能作出更可信的結論。

　　不管張衡的動力和傳動系統的實情究竟如何，總之，他是用一個機械系統來實現一種與自然界的天球旋轉相同步的機械運動。這種作法本身在中國是史無前例的。由此開始，我們誕生了一個制造水運儀象的傳統，它力圖用機械運動來精確地反映天球的周日轉動。而直到20世紀下半葉原子鐘發明和采用之前，一切機械鐘表都是以地球自轉，亦即天球的周日轉動為基礎的。所以，中國的水運儀象傳統乃是后世機械鐘表的肇始。誠然，在公元前4世紀到公元前1世紀的希臘化時代，西方也出現過一種浮子升降鐘(anaphoric clock)，它的結構和人們所設想的浮子- 平衡錘- 繩索系統渾天儀相仿，不過其中所帶動的不是一架天球儀，而是一塊平面星圖。可是在隨后的羅馬時代和黑暗的中世紀，浮子升降鐘的傳統完全中斷而消失。所以，中國的水運儀象傳統對后世機械鐘表的發展具有極其重要的意義。而這個傳統的創始者張衡的功績自然也是不可磨滅的。

　　從當時人的描述來看，張衡渾天儀能和自然界的天球的轉動配合得絲絲入扣，“皆如合符”，可見渾天儀的轉動速度的穩定性相當高。而渾天儀是以刻漏的運行為基礎的。由此可以知道，張衡的刻漏技術也很高明。