天文仪器

天文仪器的研制是天文学发展的基础，我国历代天文学家都很重视，在这一方面花了不少工夫。创制出了表和圭、漏和刻、浑仪和简仪、浑象，以及功能非凡的候风地动仪和大型综合仪器水运仪象台，能测日影、计时间、测天体、演天象、测地震。

此外还有综合型的，集测时、守时、报时、演示于一体，显示了我国古代天文仪器的多样性。

我国古代天文仪器种类多、制作精、构思巧、用途广、装饰美、规模大，在世界天文仪器发展史上具有重要地位。

测量日影仪器表和圭

古代天文学家为了测定天体的方位、距离和运动，设计制造了许多天体测量的仪器。通过获得这些仪器测定的数据，来为各种实用的和科学的目的服务。

我国古代天体测量方面的成就是极其辉煌的。在诸多天体测量仪器中，表和圭通过测定正午的日影长度以定节令，定回归年或阳历年。还可以用来在历书中排出未来的阳历年以及24个节令的日期，作为指导农事活动的重要依据。

表就是直立在地上的一根竿子，是最早用来协助肉眼观天测天的仪器。圭是用来量度太阳照射表时所投影子长短的尺子。两者结合在一起用时，遂称为“圭表”。从史料记载和发展规律来看，表的出现先于圭。

甲骨文中有关“立中”的卜辞，是关于殷人进行的一种祭祀仪式，是在一块方形或圆形平地的中央标志点上立一根附有下垂物的竿子，附下垂物的作用在于保证竿子的直立。

殷时期的人们在4月或8月的某些特定的日子而进行这种“立中”的仪式，其目的在于通过表影的观测求方位、知时节。表明当时的人们已知立表测影的方法了。

事实上，在殷商之前，由于太阳的出没伴随着昼夜的交替，从原始社会起，人们就知道判别方向应同太阳升落有关。

早在新石器时期的墓葬群中，考古学家已发现其墓主人的头部都朝着一定的方向：陕西省西安半坡村朝西，山东省大汶口朝东，河南省青莲岗各期朝东，或东偏北、东偏南。这显然同日月的升落有关。

殷商时用表测日影的旁证还有甲骨文中表示一天之内不同时刻的字。这些字都同“日”字有关，如朝、暮、旦、明、昃、中日、昏等，其中“中日”与“昃”更是明确表示日影的正和斜，是看日影所得出的结论。

这一点同时也说明了表的一个用途，即利用表影方位的变化确定一天内的时间，这便是后代制成日晷的原理。也就是说，日晷还是在表的基础上发展起来的。

关于圭的出现，详细记录有圭表测量的书是战国至西汉时的《周礼》、《周髀算经》、《淮南子》等，因而一般人多认为圭的出现要在春秋战国时期。

东汉文字学家许慎《说文解字》认为，圭是做成上圆下方的美玉，公侯伯子男所执之圭有9寸、7寸、5寸之不同。因而圭的长短就是各人身份的标志，换句话说，圭就是度量身份的尺子。

按《周髀算经》提供的数据，一般用6尺之表，则夏至时日影最短为1.5尺，正好是圭之长。

“土圭”和“土圭之法”是从“表”发展至“圭表”之间的一个过渡。最初是用一根活动的尺子去量度表影，以后才发展成将圭固定于表底，并延长其长度，使一年中任一天都可以方便地在圭面上读出影长，这才是圭表。

目前所见的圭表实物最早当推1965年在江苏省仪征东汉墓中出土的铜圭表。表身可折叠存放于圭上专门刻制的槽内，圭上的刻度和铜表的高度均为汉制缩小10倍的尺寸。圭表作为随葬品埋入墓内，说明东汉时期圭表已很普及了。

从表发展成圭表是一个进步，是人们对立表测影要求精确化和数量化的体现。

在一块方形或圆形平地的中央直立一表，可以根据日出和日入的表影方向定出东西南北，也可以根据一天之内表影方向的变化确定出一日内的时刻。而这些也恰恰是制定历法所必需的。

在《周髀算经》一书中。还叙述了利用一根定表和一根游表测天体之间角距离的方法：

在一平地上先画一圆，立定表于圆心，另立一游表于正南方，当女宿距星南中天时，迅速将正南方之游表向西沿圆周移动，使通过定表和游表可见牛宿距星，这时量度游表在圆周上移动的距离，化成周天度就是牛宿的距度，也就是牛宿距星和女宿距星间的角度。

表，这一最简单最早出现的仪器，后来得到了很大的发展和改进。

为了使表影清晰，将表顶做成尖状的劈形或加一副表，与主表之影重合；为了提高表影测量精度，既加高表身，又发明相应的设备景符；为了测定时间，制成日晷，有赤道式的也有地平式的；为了使表不仅能观测日影，使既能观月，也能观星，又发明了窥几等。

总之，表和圭在我国古代天文学的发展中起了相当大的作用，是一类重要的古代天文仪器。即使在现在，它的定方向、定时刻的功能有时还会给人们以帮助。

古代计时仪器漏和刻

漏和刻是我国古代一种计量时间的仪器，是古人发明的诸多计时工具中最有代表性的仪器，充分体现了我国古代人民的智慧。漏是指带孔的壶，刻是指附有刻度的浮箭。有泄水型和受水型两种。早期多为泄水型漏刻，水从漏壶孔流出，漏壶中的浮箭随水面下降，浮箭上的刻度指示时间。受水型漏刻的浮箭在受水壶中，随水面上升指示时间，为了得到均匀水流可置多级受水壶。

漏是漏水的壶，借助水的漏出以计量时间的流逝，是守时仪器。刻是带有刻度的标尺，与漏壶配合使用，随壶水的漏出不断反映不同的时刻，属于报时仪器。从文献史料和逻辑推理来看，漏的出现当早于刻。

漏壶的起源应是相当早的。原始氏族公社时期就能制造精美的陶器，总会出现破损漏水的情况，而漏水的多少与所经时间有关，这就是用漏壶来计时的实践基础。人们从漏水的壶发展到专门制造有孔的漏壶，这一仪器就诞生了。

据史书所记载，漏刻之作开始于轩辕之时，在夏商时期有了很大发展。轩辕黄帝是传说中的人物，漏壶为他所创不尽可信，但说在夏商时代有了很大发展还可考虑。

殷商时期已知立杆测影，判方向、知时刻，因而漏和刻的发明不会晚于商代。在先秦典籍中，见到有关漏的记述，在汉代以后文献中已经见有刻和漏刻的描写。

最原始的漏壶是没有节制水流措施的，只是让其自漏，从满壶漏至空，再加满水接着漏。显然满壶和浅壶漏水的速度不同，但一壶水从满漏至空都是大体等时的。如内蒙古自治区杭锦旗1976年出土的西汉漏壶每次漏空大约10分钟，因而计量时间可用漏了多少壶来表示。

为了不间断地添水行漏，计数漏了多少壶，需要有人日夜守候，这也许就是《周礼.夏官司马》中提到“挈壶氏”的原因。书中说夏官司马所属有挈壶氏，设下士6人及史2人，徒12人。

有军事行动时，掌悬挂两壶、辔、畚物。两壶，一为水壶，悬水壶以示水井位置；一为滴水计时的漏，命名击柝之人能按时更换。

如此众多的人员守候一个漏壶显然是很大的负担，人们必然会产生节制漏水速度的要求，或在壶内壁出水口处垫以云母片，或在漏水孔中塞以丝织物等，使漏水缓慢而又不断，这样每一壶水漏出的时间长了，就减轻了不断添水的负担。由于不能以漏多少壶来计时，而要随时注意漏壶里的水漏掉多少，这就是刻产生的基础。最初可能是在壶内壁上刻画。后来为了便于读数，就放一支箭在壶里，在箭杆上划刻度，看水退到什么刻度就知道时间了。由于漏水速度的减慢，改用刻来作为计量时间的单位，壶水的满浅影响漏水速率的问题就显得突出起来。

可以说，我国漏刻技术几千年的发展史就是克服漏水不均匀、提高计时精度的奋斗过程。其间也有箭舟的创造，沉箭式和浮箭式的使用，以及称漏的发明等巧妙的设计。

箭舟是浮在漏壶里的小舟，载刻箭能够上浮；沉箭式是指随着水的漏出，壶里水面下降，箭舟载刻箭下沉而读数；浮箭式是指另用一不漏水的箭壶积存漏出的水，水越积越多，水面升高，箭舟载刻箭浮起而读数；称漏是称漏出之水的重量来计时。

它们都属于报时和显示时间的装置，其报时的准确程度均受到漏水是否均匀的影响。

为了克服壶里水位的满浅影响漏水的速率这一问题，最初想到的当然是不断添水以保持壶里水位的基本稳定，这样沉箭式就不能使用，必然出现浮箭式。

不断添水这一工作又是件麻烦的事，因而就出现了多级漏壶，用上一级漏壶漏出的水来补充下一级漏壶的水位，使其保持基本稳定。显然，这样的补偿壶越多，最下面一个漏壶的水位就越是稳定。

东汉时期张衡做的漏水转浑天仪里用的是二级漏壶，晋代的记载中有三级漏壶，唐代的制度是四级漏壶。从理论上来说还可以再加，但实际上是不可能无限制地增加补偿漏壶的数量的，因此保持水位稳定这一问题并未彻底解决。

宋代科学家燕肃迈出了关键性的一步，他抛弃了增加补偿漏壶这一老路，采用漫流式的平水壶解决了历史上长久未克服的水位稳定问题。这一发明在他制造的莲花漏中第一次使用。

莲花漏只用两个壶，叫“上匮”和“下匮”，其下匮开有两孔，一在上，一在下，下孔漏水入箭壶，以浮箭读数，而从上孔漏出的水经竹注筒入减水盎。

只要从上匮来的水略多于下匮漏入箭壶的水，下匮的水位就会不断升高，当要高于孔时，多余的水必然经上孔流出，使下匮的水位永远稳定在上孔的位置上，这就起了平定水位的作用，使下匮漏出的水保持稳定。

莲花漏的发明和使用，是漏壶发展史上的重大成就。自宋代以后，莲花漏广泛应用于漏壶中，甚至发展成二级平水壶，使稳定性更加提高。

在解决水位稳定的漫长岁月中，对其他影响漏水精度的问题做出了许多改进。

其中有保持水温、克服温度变化影响水流的顺涩；采用玉做漏水管，克服铜管久用锈蚀的问题；渴鸟即虹吸管的使用，克服了漏孔制造的困难；用洁净泉水，克服水质影响流速；采用控制漏水装置“权”，调节流水速度等。这些无疑也是我国漏壶发展史上的成就。

由于历代科学家的不懈努力，漏壶技术得到了很大发展。对于漏壶精度，我国古代很早就知道用测日影和观测恒星的方法同漏刻作比对，以校准漏刻。

测量天体的浑仪和简仪

测量天体的仪器已有近2000年的历史。在历史进程中，我们的祖先在不同的时期发明和制造了各种测量天体的仪器，适应了当时社会经济发展和人们的生活需求。

我国古代测量天体的仪器最著名的是浑仪和简仪。这两件仪器的制造，是我国天文仪器制造史上的一大飞跃，是当时世界上的一项先进技术。

浑仪是我国古代天文学家用来测量天体坐标和两天体间角距离的主要仪器。简仪是重要的观测用仪器，由浑仪发展而来。

我国古代浑仪的诞生，经历了从简单发展至复杂又回到简单的过程。大致来说，战国至秦是它的诞生时期；汉唐时期是研制、创新和定型的阶段；宋元时期是它的高峰时期；明代以后的铸造已经带有西学元素。

浑仪由于它的重要性，历代均有研制。保存至今的明制浑仪和清制浑仪结构合理、铸造精良、装饰华丽，成为古代天文仪器的精品，甚至成为我国古代科技文明的象征。

浑仪的构造包括3个基本部件，首先是窥管，通过这根中空管子的上下两孔观测所要测的天体；其次是反映各种坐标系统的读数环，当窥管指向某待测天体时，它在各读数环中的位置就是该天体的坐标。

此外就是各种支撑结构和转动部件，保证仪器的稳固和使窥管能自由旋转以指向天空任何方位。

最初的浑仪结构比较简单，只有一根窥管和赤道系统的读数环并兼做支架的作用，在《隋书.天文志》中最早留下了南北朝时孔挺于323年制的浑仪结构，即如上述古法所制。

北魏鲜卑族天文学家斛兰于412年受诏主持铸成我国历史上第一台铁浑仪。铁浑仪增加了带水槽的十字底座，底座上立4根柱子支撑仪器。这样，读数系统与支撑系统就分开了。

铁浑仪的基本结构与前赵孔挺浑仪基本上相同，但又有些新创造。如在原有的底座上铸有“十”字形水槽，以便注水校准水平，这是在仪器设备上利用水准仪的开端。

铁浑仪是一台质量很高的仪器，北魏灭亡后，历经北齐、后周、隋、唐几个朝代一直使用了200多年，直至唐睿宗时，天文学家瞿昙悉达还奉敕修葺此仪，可见其使用寿命之长。

至唐代，由于天文学家李淳风、一行和天文仪器制造家梁令瓒等人的努力，浑仪的三重环圈系统建立起来，成为后世浑仪结构的定型式。

浑仪的三重环圈各有名称，最里面的是四游环或四游仪，它夹着窥管可使之自由旋转；中间一重是三辰仪，包括赤道环、黄道环、白道环，上面都有刻度，是各坐标系统的读数装置；外面一重是六合仪，包括地平、子午、赤道三环，固定不动，起仪器支架作用。

考察历代所制浑仪，都可以按这三重环圈体系来分析它们的结构。其构造科学合理，观测精确，造型优美而享誉世界。

由于天体的周日运动是沿赤道平面的，所以只有赤道系统能最方便地表示天体的坐标，黄道和白道就显得很麻烦，而且由于岁差的原因，赤道和黄道的交点不断变化，使黄赤道的位置不固定。

唐代一行和梁令瓒所铸黄道游仪就是为了解决这个问题而设计的，他们在赤道环上每隔1度打一个孔，使黄道环能模仿古人理解的岁差现象不断在赤道上退行。

类似的情况是白道和黄道，李淳风就在他制造的浑天黄道仪的黄道环上打249个孔，每过一个交点月就让白道在黄道上退行一孔。这样的设计虽说巧妙，但使用上却带来不便，精度上也受影响，后来遂被废除。

宋代的浑仪铸造主要在北宋时期，大型的就有5架，每架用铜总在10000千克以上，可见其规模之大。

宋代浑仪也注意到精度方面的改良。如窥管孔径的缩小，降低人目移动所造成的误差，并调整仪器安装的水平和极轴的准确，降低系统误差。

当时发明的转仪钟装置和活动屋顶，成为我国天文仪器史上两大重要发明。

宋代浑仪已是环圈层层环抱的重器，它在天文测量和编历工作中起了很大的作用，但也渐渐显示了多重环圈的弊病：安装和调整不易，遮蔽天空渐多，使许多天区成为死区不能观测。因此，宋代后已在酝酿浑仪的重大改革，这是元代简仪的创制。

要追踪历代浑仪的下落是件不容易的事。

木制的当然不易保存下来，即使是铜铁铸的也因年久湮灭和战乱毁坏不存。

宋代浑仪的遭遇要复杂些，北宋为金所灭，开封的五大浑仪全被虏至金的都城中都，运输过程中损坏的部件均被丢弃，浑仪被置于金的候台上，但因开封和北京纬度差达4度，观测时需作修正。

金章宗时，有一年雷雨狂风使候台裂毁，造成浑仪滚落台下，后经修理复置于台上。

北方蒙古族南下攻金，金王室仓皇出逃，宋代浑仪搬运困难，只好放弃而去，宋代仪器再次受到毁坏。至1271年，宋代浑仪只有天文学家周琮等人所造的一架还有线索，其他的都已不明。

北宋亡后，宋高宗南渡，曾经在杭州铸造过两三台小型浑仪，置于太史局、钟鼓院和宫中，但下落均不明。

明朝建都南京后，将北京的宋元代浑仪运至南京鸡鸣山设观象台，随后铸浑仪。明成祖朱棣迁都北京后仪器并未运回北京，而是派人去南京做成木模到北京来铸造，1437年铸成，置于明观象台上，即现在的北京古观象台。

清代康熙年间，钦天监请将南京郭守敬所造仪器运回北京。当时有人在观象台下见到许多元制简仪、仰仪诸器，都有王恂、郭守敬监造的签名。

1715年，欧洲传教士纪理安提出铸造地平经纬仪，将元明时期旧仪除明代制简仪、浑仪、天体仪外，尽皆熔化充作废铜使用，遂使元明时期旧仪不复留存。

至于宋元明时期旧仪的下落还有待进一步研究和发现。目前陈列在北京古观象台上的仪器为清代铸造，而在南京紫金山天文台上的浑仪、简仪则是明代仿制的宋元时期旧仪。

简仪的创制是在1279年由元代天文学家郭守敬负责的，现存于紫金山天文台的简仪为明代正统年间的复制品，郭守敬原器已毁。因其简化了浑仪的环圈重叠体系，又将赤道坐标与地平坐标分开，不遮掩天空，观测简便，故后人以此作为简仪名称之由来。

郭守敬创制的简仪，就其结构来说是一个含有4架简单仪器的复合仪器，或许称复仪更为合适。

4架仪器中的主要部分是一架赤道经纬仪，可算是传统浑仪的简化。它只有四游环、赤道环和百刻环，而后两环重叠在一起置于四游环的南端，使四游环上方无任何规环遮掩，一览无余。

在赤道和百刻两环之间安装有4个铜圆柱，起滚动轴承的作用，这一发明早于西方200年之久。但这4个铜圆柱在明代复制品中没有。

4架仪器中的另一部分是地平经纬仪，又称“立运仪”，就是直立着运转的仪器。这也是新创造的，可以测量天体的地平经纬度。

地平经纬仪只有两个环，一个地平环，水平放置；在地平环中心垂直立一个立运环，窥衡附于其上，起四游环的作用。

4架仪器中的其他两部分是候极仪和正方案。候极仪装于赤道经纬仪的北部支架上，以观北极星校准仪器的极轴，使安装准确。正方案置于南部底座上，它既可以携带走单独使用，在这里也可以校准仪器安装的方位准确性。

现存简仪上正方案的位置在明末清初换上了平面日晷。

在《元史.天文志》里列举郭守敬创制的仪器名称，首先就是简仪，而立运仪、候极仪、正方案的名称又另外列出，可见郭守敬所指的简仪就是单指其中的赤道经纬仪。

当时既无这一名称，它又同传统的浑仪形状不同，考其作用正如浑仪，结构比浑仪简化。因此郭守敬称其简仪也是合理的。

演示天象的仪器浑象

浑象也称“浑天象”或“浑天仪”，甚至称为“浑仪”，很容易与用于观测的浑仪互相混淆。

浑象是古代根据浑天说用来演示天体在天球上视运动及测量黄赤道坐标差的仪器。

浑象最初是在西汉时由大司农中丞耿寿昌创制的。

到东汉张衡创制水运浑象，对后世浑象的制造影响很大。

浑象是仿真天体运行的仪器，是天文学上很有用的发明。它把太阳、月球、二十八宿等天体以及赤道和黄道都绘制在一个圆球面上，能使人不受时间限制，随时了解当时的天象。

通过浑象的演示，白天可以看到当时在天空中看不到的星星和月亮，而且位置不差；阴天和夜晚也能看到太阳所在的位置。用它能表演太阳、月球以及其他星象东升和西落的时刻、方位，还能形象地说明夏天白天长，冬天黑夜长的道理等。

据西汉时期文学家扬雄所著《法言.重黎》中说的“耿中丞象之”，可知汉宣帝时大司农中丞耿寿昌制造了一个浑象，模拟浑天的运动情况。

浑象的球面绘有赤道，按照实际观测的结果，把天空的星体标在球面对应的位置上。

后来张衡发明了第一架由水力推动齿轮运转的浑象，能自动演示星体的升起、落下，并配有漏壶作为定时器，叫“漏水转浑天仪”，即水运浑象。只要将张衡的水运浑象放在屋子里，就可以知道外面的天象，在白天也可以知道什么星到了南中天。

水运浑象在当时确是一项了不起的创造。这一贡献开创了后代制造自动旋转仪器的先声，导致了机械计时器即钟表的发明，对世界文明的发展影响深远。

浑象的基本形状是一个大圆球，象征天球，大圆球上布满星辰，画有南北极、黄赤道、恒显圈、恒隐圈、二十八宿、银河等，另有转动轴以供旋转。还有象征地平的圈或框，有象征地体的块。

由于大圆球的转动带动星辰也转，在地平以上的部分就是可见到的天象了。

在耿寿昌和张衡之后，各种尺寸的浑象几乎各代都有制造，但有的是不能自动旋转的，有的则仿照张衡的做法，用漏水的动力使浑象随天球同步旋转。

而这后一类自动浑象在唐和北宋时期得到了长足的发展，其中重要的是一行、梁令瓒和张思训、苏颂、韩公廉等人的创造性工作。

唐代一行和梁令瓒在723年制成了开元水运浑天俯视图，或开元水运浑天，首次将自动旋转的浑象同计时系统综合于一体，设两木人按辰和刻打钟击鼓。

沿着这一想法，北宋天文学家张思训于979年做了一台大型的太平浑仪，名称“浑仪”，实际上是一个自动运转的浑象。

太平浑仪做成楼阁状，有12个木人手持指示时间的时辰牌到时出来报时，同时有铃、钟、鼓3种音响。该仪以水银为动力，因其流动比水稳定，启动力量也大。

后来，宋代天文学家、天文机械制造家苏颂和天文仪器制造家韩公廉又建成了约12米高的水运仪象台，将浑仪、浑象、计时系统综合于一身，达到了自动浑象制造的顶峰。

浑象的研制到了元代有新的发展，郭守敬以他的创造性才能使浑象出现了新的面貌和用途。

在郭守敬为编制《授时历》和建设元大都天文台而创制的仪器中有一架浑象，半隐柜中，半出柜上，其制作类似前代。

郭守敬还制作了一件前所未有的玲珑仪。关于此仪，所留资料不多，致使研究者产生两种不同的看法，一种认为是假天仪式的浑象；另一种则认为是浑仪。

持不同意见的双方主要都是依据郭守敬的下属杨桓所写的《玲珑仪铭》。

该铭文中有对这件仪器的形状和性质的描述：

天文学家制成仪象，各有各的用途，而集多种用途于一身的只有玲珑仪，该仪表面沿经纬线均匀分布有10万多孔，按规律准确地与天球相符。

整个仪体虚空透亮里外可见。虽然星宿密布于天，不计其数，但它们都有入宿度和去极度，只要利用该仪从里面窥看，即刻可以明白。古代贤者很多，但这种仪器尚未发明，直至元代，才首次做出来。

根据这一段描述可以清楚地感觉到，玲珑仪就是具有浑象之外形又有浑仪之用途的新式仪器。这也就是说，玲珑仪既不是假天仪，也不是浑仪，它就是玲珑仪。

元明时期以前的历代浑象均未能保存下来，现在北京古观象台和南京紫金山天文台的浑象都是清代制造的。

我国古代演示天象的仪器浑象与天球仪在基本结构上是完全一致的。陈列在北京古观象台上的清代铜制天球仪，铸造于1673年，直径两米，球上有恒星1000多颗，是以三垣二十八宿来划分的。

此仪采用透明塑胶制作，标志完全，内部为地球模型，便于理解天球的概念。利用它来表述天球的各种坐标、天体的视运动以及求解一些实用的天文问题。

功能非凡的候风地动仪

候风地动仪是我国东汉时期天文学家张衡于132年制成的。此地动仪用精铜制成，外形像一个大型酒樽，里面有精巧的结构。如果发生较强的地震，它便可知道地震发生的时间和方向。

候风地动仪是世界上第一架测验地震的仪器，功能非凡。在我国科学史上，没有什么比候风地动仪更为引人注目。

候风地动仪是我国东汉时期天文学家张衡创制的，用于测知地震的时间和方位。

《后汉书.张衡传》详细记载了张衡的这一发明：候风地动仪用精铜制成，形如酒樽，内部结构精巧，主要为中间的都柱和它周围的8组形如蟾蜍的机械装置。都柱相当于一种倒立型的震摆。

在候风地动仪外面相应地设置8条口含小铜珠的龙，每个龙头下面都有一只蟾蜍张口向上。如果发生较强的地震，都柱因受到震动而失去平衡，这样就会触动8道中的一道，使相应的龙口张开，小铜珠即落入蟾蜍口中，由此便可知道地震发生的时间和方向。

从《后汉书.张衡传》的记载来看，候风地动仪应为一件仪器，而不是两件。张衡通过自己巧妙的设计，使地震时仪体与“都柱”之间产生相对运动，利用这一运动触发仪内机关，从而将地震报出。

张衡创制的地动仪不仅在古代具有重要影响，也使现代研究者产生了极大兴趣，很多人就其对地震的反应机制和内部结构提出不同的设想。

从现代地震学知识来看，地震过程复杂多变，前震后震强弱不同，方向也相异，要寻找震源只可能从多个台站的记录依时间差推算，这在古代是不可能的。

但是张衡的地动仪在设计中的确考虑了方向因素，“寻其方面，乃知震之所在”，就反映了这一点。这也并非完全不可能。

如果候风地动仪做到了感知一二级的微震，它应对远处震中传来的初波也就是P波敏感。初波的地面移动方向与震源方向一致，是纵向波，所以龙吐丸的方位应能显示一定量的方向信息。

当然，这并非绝对，因为地动仪的灵敏度也会有一定限制。当地震的前锋纵波不够强时，地动仪可能会对之无动于衷，但后继横波却有可能把铜丸震落，这样落丸方向与震源就没什么关系了。由此，张衡的地动仪对于烈度为三级的弱震，是可以测报出来的。张衡地动仪的工作原理主要是以古代“候气”的理论，即“葭灰占律”的方式，所以称之为“候风地动仪”。

在选定的位置深埋入地一大柱，像远古人们建房时的草房的中心柱，这个柱子用来感应地震波。为了避免地面环境对“都柱”的影响，在适当的深度把柱周围掏空，或者先掘土井，然后将大柱埋入压实，距离地面相当距离使柱体与井壁分离，避免来自地面影响对“都柱”的干扰。

柱顶收缩为一个有凹面或空心管的顶端。在顶端凹面或空心管上置一铜球，铜球直径和顶端凹面或空心管直径可以根据灵敏度需要制订，这就克服了“倒立柱”制作中摩擦系数的难题。

都柱顶端放置铜球，犹如旗杆顶端的装饰圆球。在“都柱”开始收缩的地方，按东、南、西、北、东南、西北、西南、东北8个方向伸出8条轨道。

当埋入地下的都柱感受到地震波在地层中传播时，会使都柱产生相应的位移。

都柱受力位移，位于都柱顶端的铜球偏离重心，向力量来源相反方向脱落，都柱四旁8条伸向不同方向的轨道之一承接并导引向相应方位，触动龙口机关，龙口所含铜珠吐出，从而判定地震来源方向。

综上所述，张衡创制的候风地动仪，是我国古代侦测地震的仪器，也是世界最早的地震仪，它并不能预测地震，其作用只是遥测地震时间和方向。

候风地动仪在当代研究者中产生了广泛影响，有许多人根据自己体悟的方法，各自复制不同的地动仪。可见其影响之深远。

大型综合仪器水运仪象台

水运仪象台是我国古代一种大型的综合性天文仪器，由宋代天文学家苏颂等人创建。它是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪器，实际上是一座小型的天文台。

水运仪象台的制造水平在世界范围内堪称一绝，充分体现了我国古代人民的聪明才智和富于创造的精神。

苏颂领导天文仪器制造工作是从1086年受诏定夺新旧浑仪开始的。这个机构的组成人员都是经过他的寻访调查或亲自考核，而确定下来的。

苏颂接受这项科技工作后，首先是四处走访，寻觅人才。他发现了吏部令史韩公廉通《九章算术》，而且晓天文、历法，立即奏请调来专门从事天文仪器的研制工作。

苏颂又走出汴京到外地查访，发现了在仪器制造方面学有专长的寿州州学教授王沇之，奏调他“专监造作，兼管收支官物”。

接着，苏颂又考核太史局和天文机构的原工作人员，选出夏官、秋官、冬官协助韩公廉工作。

苏颂发现人才后，还进一步放在实践中加以考察。例如调来韩公廉后，他经常与韩公廉讨论天文、历法和仪器制造。

苏颂向韩公廉建议，可否以张衡、一行、梁令瓒、张思训格式依仿制造，韩公廉很是赞同。于是，苏颂让韩公廉写出书面材料。不久，韩公廉写出《九章勾股测验浑天书》一卷。

苏颂详阅后，命韩公廉研制模型。韩公廉又造出木样机轮一座。苏颂对这个木样机轮进行严格实验，然后奏报皇帝，并亲赴校验。

苏颂对研制工作是慎之又慎的。他认为，有了书，做了模型还不一定可靠，还必须做实际的天文观测，才能进一步向前推进，以免浪费国家资财。后来，通过对木样机轮的反复校验，确定与天道参合不差，这才开始正式用铜制造新仪。

在著名科学家苏颂的倡议和领导下，经过3年4个月的工作，1088年，一座杰出的天文计时仪器水运仪象台，在当时的京城开封制成。水运仪象台的构思广泛吸收了以前各家仪器的优点，尤其是吸取了北宋时期天文学家张思训所改进的自动报时装置的长处。

在机械结构方面，采用了民间使用的水车、筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械原理，把观测、演示和报时设备集中起来，组成了一个整体，成为一部自动化的天文台。根据《新仪象法要》记载，水运仪象台是一座底为正方形、下宽上窄略有收分的木结构建筑，高约12米，底宽约7米，共分为三大层。

上层是一个露天的平台，设有浑仪一座，用龙柱支持，下面有水槽以定水平。浑仪上面覆盖遮蔽日晒雨淋的木板顶，为了便于观测，屋顶可以随意开闭，构思比较巧妙。露台到仪象台的台基有7米多高。

中层是一间没有窗户的“密室”，里面放置浑象。天球的一半隐没在“地平”之下；另一半露在“地平”的上面，靠机轮带动旋转，一昼夜转动一圈，真实地再现了星辰的起落等天象的变化。

下层设有向南打开的大门，门里装有5层木阁，木阁后面是机械传动系统。

第一层木阁又名“正衙钟鼓楼”，负责全台的标准报时。木阁设有3个小门。至每个时辰的时初，就有一个穿红衣服的木人在左门里摇铃；每逢时正，有一个穿紫色衣服的木人在右门里敲钟；每过一刻钟，一个穿绿衣的木人在中门击鼓。

第二层木阁可以报告12个时辰的时初、时正名称，相当于现代时钟的时针表盘。这一层的机轮边有24个司辰木人，手拿时辰牌，牌面依次写着子初、子正、丑初、丑正等。每逢时初和时正，司辰木人按时在木阁门前出现。

第三层木阁专刻报的时间。共有96个司辰木人，其中有24个木人报时初、时正，其余木人报刻。比如子正的和丑初的初刻、二刻、三刻等。

第四层木阁报告晚上的时刻。木人可以根据四季的不同击钲报更数。

第五层木阁装置有38个木人，木人位置可以随着节气的变更，报告昏、晓、日出及几更等详细情况。5层木阁里的木人能表演出准确的报时动作，是靠一套复杂的机械装置“昼夜轮机”带动的。而整个机械轮系的运转依靠水的恒定流量，推动水轮做间歇运动，带动仪器转动，因而命名为“水运仪象台”。

苏颂主持创制的水运仪象台是当时我国杰出的天文仪器，也是世界上最古老的天文钟。国际上对水运仪象台的设计给予了高度评价，认为水运仪象台为了观测上的方便，设计了活动屋顶，是现在天文台活动圆顶的祖先。

李约瑟在深入研究水运仪象台之后，曾改变了他过去的一些观点。他在《中国科学技术史》中说：

我们借此机会声明，我们以前关于“钟表装置……完全是14世纪早期欧洲的发明”的说法是错误的。使用轴叶擒纵器重力传动机械时钟是14世纪在欧洲发明的。可是，在中国许多世纪之前，就已有了装有另一种擒纵器的水力传动机械时钟。

浑象一昼夜自转一圈，不仅形象地演示了天象的变化，也是现代天文台的跟踪器械转仪钟的祖先；水运仪象台中首创的擒纵器机构是后世钟表的关键部件，因此它又是钟表的祖先。

从水运仪象台可以看出，我国古代力学知识的应用已经达到了相当高的水平。