张衡对爷爷说：“我数的时间久了，看见有的星星位置移动了，原来在天空东边的，偏到西边去了。有的星星出现了，有的星星又不见了。它们是在移动吗？”
爷爷摸摸张衡的头，笑着说道：“星星确实是会移动的。你要认识星星，先要看北斗星。你看那边比较明亮的七颗星，连在一起就像吃饭的汤勺，很容易找到。”
“噢！我找到了！那么，它是怎样移动的呢？”小张衡很兴奋地又问。
爷爷想了想说：“大约到半夜，它就移到地平线上，到天快亮的时候，这北斗星就翻了一个身，倒挂在天空。”
这天晚上，张衡一直睡不着，多次起来看北斗星。夜深人静，当他看到那闪烁而明亮的北斗星时，异常兴奋。天快亮了，北斗星果然倒挂着，他感到非常高兴。他想：这北斗星为什么会这样转来转去，到底是什么原因呢？
天一亮，他便赶去问爷爷，谁知爷爷也讲不清楚。
于是，他带着这个问题，读天文书去了。
后来，张衡长大了，皇帝得知他文才出众，把张衡召到京城洛阳担任太史令，主要是掌管天文历法的事情。
为了探明自然界的奥秘，年轻的张衡常常一个人关在书房里读书、研究，还常常站在天文台上观察日月星辰。
他想：如果能制造出一种仪器，能够上观天，下察地，预报自然界将要发生的情况，帮助人们预防灾害，揭穿那些荒诞的迷信鬼话，该多好啊！
于是，张衡把从书本中和观察到的材料，进行分析研究，开始了试制“观天察地”仪器的工作。
他把研究的心得先写成一本书，叫做《灵宪》。在这本书里，他告诉人们：天是球形的，像个鸡蛋，天就像鸡蛋壳，包在地的外面，地就像蛋黄，就叫做“浑天说”。这种学说虽然不完全精确，但在一千八百多年以前，能说出这种科学的见解来，不能不使后来的天文学家钦佩。
接着，张衡根据这种“浑天说”的理论，开始设计、制造仪器了。不知经过多少个风雨晨昏，熬过多少个不眠之夜，一个当时世界上最先进的天文仪器——浑天仪诞生了。
这个大铜球特别像今天的地球仪，它装在一个倾斜的轴上，利用水力转动，它转动一周的速度恰好和地球自转一周的速度相等。而且在这个人造的天体上，可以准确地看到太空中的星象。
地动仪
汉章帝在位的时期，东汉的政治比较稳定。汉章帝一死，继承皇位的汉和帝才十岁，窦太后临朝执政，让他的哥哥窦宪掌握了朝政大权，东汉王朝从此走上了下坡路。
那个时期，经常发生地震。
有时候一年一次，甚至一年两次。每发生一次大地震，都会影响到好几十个郡，城墙、房屋发生倒坍，还会死伤许多人畜。
当时的封建帝王和一般人都把地震看做是不吉利的征兆，有的还趁机宣传迷信、欺骗人民。
张衡并不信邪，他对记录下来的地震现象经过细心的考察和试验，发明了一个测报地震的仪器，叫做“地动仪”。
地动仪是用青铜制造的，形状有点像一个酒坛，四围刻铸着八条龙，龙头向八个方向伸着。每条龙的嘴里含了一颗小铜球：龙头下面，蹲了一个铜制的蛤蟆，对准龙嘴张着嘴。哪个方向发生了地震，朝着那个方向的龙嘴就会自动张开来，把铜球吐出。铜球掉在蛤蟆的嘴里，发出响亮的声音，就给人发出地震的警报。
公元138年2月的一天，张衡的地动仪正对西方的龙嘴突然张开，吐出了铜球。按照张衡的设计，这就是报告西部发生了地震。
可是，那一天洛阳一点也没有地震的迹象，也没有听说附近有哪儿发生了地震。因此，大伙儿议论纷纷，都说张衡的地动仪是骗人的玩意儿，甚至有人说他有意造谣生事。
之后又过了几天，有人骑着快马来向朝廷报告，离洛阳一千多里的金城、陇西一带发生了大地震，连山都有崩塌下来的。大伙儿这才开始相信张衡。
可是在那个时候，朝廷掌权的全是宦官或是外戚，像张衡这样有才能的人不但不被重用，反而还会受到排挤。张衡做侍中的时候，因为与皇帝接近，宦官怕张衡在皇帝面前揭他们的短，就在皇帝面前讲张衡很多坏话。最后，张衡被调出了京城，到河间去当国相。
发明家、数学家和文学家
除了浑天仪和地动仪外，张衡的发明还有许多，如指南车、记里鼓车、瑞轮萁荚、独飞木雕等。
指南车据传是黄帝最早发明的，但是后来失传了。张衡仔细钻研了指南车的原理，最后做成一架双轮独辕指南车，车箱内装有一种能自动离合的齿轮系统，车箱外壳上层放置一木刻小人，无论车子朝哪个方向转动，木人伸出的手臂始终都指向南方。
计里鼓车是车上用以计算里程的机械，可能是利用差速齿轮的原理来积累车轮转数，车的上下两层各有一个木人，走一里时下层木人击鼓，走十里时上层木人敲锣。
这分明是现代汽车计程器的鼻祖，早于西方1800多年。
瑞轮萁荚是张衡别出心裁创造的自动日历。它模仿神话中一种奇树——萁荚的特征，靠流水作用。从每月初一开始，一天出现一片叶子，到满月出齐15片，然后每天再收起一片，到月末为止，循环开合。
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