擺鐘工作原理

擺鐘工作原理

引言

您是否見過大座鐘和小機(jī)械鬧鐘的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，看過所有的齒輪和彈簧發(fā)條后，是否想，“哇——這么復(fù)雜！？”雖然時(shí)鐘通常非常復(fù)雜，但您不必覺得困惑或不可思議。事實(shí)上，了解時(shí)鐘工作原理時(shí)，您可以想象時(shí)鐘設(shè)計(jì)者們是如何面對(duì)和解決大量有趣的問題，并設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)設(shè)備的。本文將幫助您了解是什么使時(shí)鐘發(fā)出嘀嗒聲，所以下次看到時(shí)鐘內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)您就會(huì)明白一切了。

擺鐘部件

從1656年起，人們便開始使用擺鐘計(jì)時(shí)了，但是此后擺鐘的發(fā)展一直沒有太大的變化。擺鐘是第一款具有一定精確度的時(shí)鐘。如果從外部觀看擺鐘，可以發(fā)現(xiàn)幾個(gè)對(duì)所有時(shí)鐘的機(jī)械裝置而言都很重要的部件：

• 時(shí)鐘的表面、時(shí)針和分針（有時(shí)甚至有“月相”盤）。
• 有一個(gè)或多個(gè)鐘錘（如果時(shí)鐘更現(xiàn)代，會(huì)有一個(gè)鎖眼可用于給時(shí)鐘內(nèi)上緊發(fā)條——本文將繼續(xù)以鐘錘驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘為例）。
• 當(dāng)然，還有鐘擺本身。

大多數(shù)掛鐘都有鐘擺，每秒鐘擺動(dòng)一次。小布谷鳥鐘的鐘擺可以每秒鐘擺動(dòng)兩次。大座鐘的鐘擺每兩秒鐘擺動(dòng)一次。那么，這些部件如何協(xié)作以保持時(shí)鐘運(yùn)行和時(shí)間準(zhǔn)確呢？

鐘錘

鐘錘的作用是作為一個(gè)能量存儲(chǔ)裝置，因此時(shí)鐘可以在無人值守的情況下運(yùn)行相對(duì)較長的時(shí)間。為鐘錘驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘上緊發(fā)條時(shí)，可以拉緊繩索提起鐘錘。這會(huì)在地球重力場的作用下賦予鐘錘勢能。我們一會(huì)可以看到，鐘利用的正是鐘錘下落時(shí)的勢能驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

舉例來說，我們要利用下落的鐘錘設(shè)計(jì)一個(gè)最簡單的時(shí)鐘——只有秒針的時(shí)鐘。我們想在這個(gè)簡單的時(shí)鐘上安裝秒針，使它象任何時(shí)鐘上的正常秒針一樣工作，每60秒旋轉(zhuǎn)一周。我們可以嘗試按右圖所示的設(shè)計(jì)，只需將鐘錘細(xì)繩連接到滾筒，然后將秒針也連接到滾筒上。當(dāng)然，這并不會(huì)起作用。在這個(gè)簡單的機(jī)構(gòu)中，釋放鐘錘會(huì)導(dǎo)致它快速下落，使?jié)L筒以約1,000rpm（轉(zhuǎn)數(shù)/分）的速度旋轉(zhuǎn)，直到鐘錘落到地板上。

但是，它會(huì)在正確的方向前進(jìn)。舉例來說，我們?cè)跐L筒上放置某種摩擦裝置——某種制動(dòng)襯片或可以讓滾筒減速的東西。這會(huì)起到作用。我們當(dāng)然能根據(jù)使秒針每分鐘旋轉(zhuǎn)一周的摩擦力來設(shè)計(jì)某種方案。但它只能是近似值。隨著空氣溫度和濕度的變化，裝置的摩擦力也會(huì)改變。因此，秒針不會(huì)保持非常好的準(zhǔn)確性。

因此，追溯到17世紀(jì)，希望制造出準(zhǔn)確時(shí)鐘的人們?cè)鉀Q如何使秒鐘每分鐘旋轉(zhuǎn)一周的問題。荷蘭天文學(xué)家克里斯琴?惠更斯（Christiaan Huygens ）被譽(yù)為使用鐘擺的第一人。由于鐘擺具有非常有趣的特性，因此非常有用：鐘擺擺動(dòng)的周期（鐘擺來回?cái)[動(dòng)一次所用的時(shí)間）只和鐘擺的長度和重力有關(guān)。由于地球上任何特定點(diǎn)的重力都是恒定的，所以影響鐘擺運(yùn)動(dòng)周期的只有鐘擺的長度。重量并不是問題，鐘擺擺動(dòng)的弧長度也不是問題，只有鐘擺的長度是決定因素。如果不信，您可以嘗試做下一頁的實(shí)驗(yàn)！

影響擺鐘周期的因素

正如我們?cè)谏弦豁撍f的那樣，影響擺鐘周期的唯一因素是鐘擺的長度。您可以通過以下實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)事實(shí)。要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，您需要準(zhǔn)備：

• 鐘錘
• 細(xì)繩
• 桌子
• 帶秒針的手表（或有數(shù)字秒數(shù)顯示的數(shù)字手表）

您可以將任何東西當(dāng)作鐘錘。必要時(shí)，咖啡杯或書都可以——這并不重要。將細(xì)繩系到鐘錘上。然后將鐘擺懸掛在桌子邊緣，這樣鐘擺長度就大約有61厘米，如下圖所示：

現(xiàn)在將鐘錘向后拉約30厘米，然后讓鐘擺開始擺動(dòng)。計(jì)時(shí)30或60秒鐘，統(tǒng)計(jì)鐘擺來回?cái)[動(dòng)的次數(shù)。記住擺動(dòng)次數(shù)?，F(xiàn)在，停止鐘擺然后重新開始擺動(dòng)它，但這次只將它向后拉約15厘米，這樣它擺動(dòng)的弧度就比較小。同樣在30或60秒鐘內(nèi)統(tǒng)計(jì)擺動(dòng)次數(shù)。您會(huì)發(fā)現(xiàn)得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)字與第一次統(tǒng)計(jì)的數(shù)字相同。換句話說，鐘擺擺動(dòng)的弧度對(duì)周期沒有影響。只有鐘擺線繩的長度至關(guān)重要。如果擺弄鐘擺長度，您會(huì)發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)整鐘擺長度使它來回?cái)[動(dòng)60次正好為一分鐘。

（注意：如果需要非常精確的鐘擺周期，請(qǐng)參見下面相關(guān)文章。）

注意到有關(guān)鐘擺的這個(gè)事實(shí)后，您就會(huì)發(fā)現(xiàn)可以用鐘擺設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確的時(shí)鐘。下圖顯示了利用鐘擺設(shè)計(jì)時(shí)鐘棘輪裝置的方法。

棘輪裝置中有一個(gè)輪齒帶有特定形狀的齒輪。還有一個(gè)鐘擺，連接鐘擺的是可以嚙合齒輪輪齒的某種裝置。圖中展示的基本觀點(diǎn)是，鐘擺來回?cái)[動(dòng)一次，齒輪就會(huì)有一個(gè)輪齒“逃脫”。

需要記住一件事，鐘擺不會(huì)永不停歇地?cái)[動(dòng)。因此，棘輪裝置齒輪的另一個(gè)作用是賦予鐘擺足夠的能量，使鐘擺能夠克服摩擦力并保持?jǐn)[動(dòng)。為了完成這個(gè)任務(wù)，錨（連接鐘擺的機(jī)械裝置的名稱，每次釋放一個(gè)棘輪裝置齒輪輪齒）和棘輪裝置齒輪的輪齒被設(shè)計(jì)為特殊形狀。如果齒輪的輪齒正確逃脫，鐘擺每擺動(dòng)一次錨都會(huì)在適當(dāng)?shù)姆较蚴┘右粋€(gè)輕推力。輕推力增強(qiáng)了鐘擺克服摩擦力所需的能量，從而使它能保持?jǐn)[動(dòng)。

這樣，您就設(shè)計(jì)出了一個(gè)棘輪裝置。如果棘輪裝置齒輪有60個(gè)輪齒，該齒輪直接連接到上面討論的鐘錘滾筒，并且使用周期為一秒的鐘擺，您就會(huì)成功設(shè)計(jì)秒針旋轉(zhuǎn)速度為每分鐘一周的時(shí)鐘。如果非常小心地調(diào)整鐘擺長度，我們可以設(shè)計(jì)出精確度非常高的時(shí)鐘。

不過，該時(shí)鐘雖然準(zhǔn)確，但仍存在兩個(gè)問題，這使它不太實(shí)用：

1. 大多數(shù)人都希望時(shí)鐘有時(shí)針和分針。
   
2. 您必須每隔20分鐘給時(shí)鐘重新上一次發(fā)條。因?yàn)殓婂N每分鐘旋轉(zhuǎn)一周，所以鐘錘會(huì)很快地走松而落到地板上。大多數(shù)人都不會(huì)喜歡每隔20分鐘重新上一次發(fā)條！

關(guān)于擺鐘發(fā)條的問題

必須每隔20分鐘重上一次發(fā)條的問題很容易解決。正如齒輪比原理中所討論的，您可以設(shè)計(jì)高速比齒輪系，使齒輪滾筒每隔6至12小時(shí)旋轉(zhuǎn)一周。這樣，您會(huì)得到只需一周左右重新上一次發(fā)條的時(shí)鐘。鐘錘滾筒與棘輪裝置齒輪之間的齒輪齒速比可能為500:1，如下圖所示：

圖中的棘輪裝置齒輪有120個(gè)輪齒，鐘擺的周期為半秒鐘，并且秒針直接連到棘輪裝置齒輪。鐘錘齒輪系中每個(gè)齒輪的齒數(shù)比為8:1，因此整個(gè)齒輪系的齒數(shù)比為492:1。

您可以看到，如果讓棘輪裝置齒輪自身以60:1的齒數(shù)比驅(qū)動(dòng)另一個(gè)齒輪系，則可以將分針安裝到該齒輪系的最后一個(gè)齒輪上。齒數(shù)比為 12:1 的最后一個(gè)齒輪系將驅(qū)動(dòng)時(shí)針。轉(zhuǎn)瞬之間您就有了一個(gè)時(shí)鐘！

雖然現(xiàn)在這個(gè)時(shí)鐘不錯(cuò)，但還存在兩個(gè)問題：

1. 時(shí)針、分針、秒針位于不同的軸上。這個(gè)問題通常利用齒輪上的空心軸加以解決，然后排列齒輪系，使驅(qū)動(dòng)時(shí)針、分針和秒針的齒輪共用同一軸?？招凝X輪軸是一個(gè)對(duì)準(zhǔn)另一個(gè)。近距離觀看任一時(shí)鐘表面，您都可以看到這種排列。
   
2. 由于所有這些齒輪都直接連在一起，所以不能輕易地重新上緊發(fā)條或設(shè)置時(shí)鐘。這個(gè)問題通常由一個(gè)可滑出齒輪系的齒輪來解決。當(dāng)您拉出手表的轉(zhuǎn)柄設(shè)置時(shí)間時(shí)，實(shí)際上運(yùn)用的就是這個(gè)方法。在上圖中，您可以設(shè)想臨時(shí)取出黑色的小齒輪以上緊發(fā)條或設(shè)置時(shí)鐘。

您可以看到，盡管時(shí)鐘內(nèi)的所有齒輪使它看起來很復(fù)雜，但是擺鐘的工作原理非常簡單。它共分為五個(gè)基本部分：

• 鐘錘或發(fā)條——這可以為時(shí)鐘的指針旋轉(zhuǎn)提供能量。
• 鐘錘齒輪系——高齒速比齒輪系可以驅(qū)動(dòng)鐘錘滾筒增速，因此不需要頻繁地重新上緊發(fā)條。
• 棘輪裝置——由鐘擺、錨和棘輪裝置齒輪構(gòu)成，棘輪裝置可以精確調(diào)節(jié)鐘錘能量釋放的速度。
• 指針齒輪系——指針齒輪系可以減速，因此分針和時(shí)鐘能夠以正確的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。
• 撥針機(jī)構(gòu)——該機(jī)構(gòu)可以分離、滑動(dòng)或漸進(jìn)齒輪系，因此時(shí)鐘可以重新上緊發(fā)條和撥針。

了解這些部件后，理解時(shí)鐘工作原理就是輕松的事了！

常見時(shí)鐘問題

下面是讀者提出的一組問題：

• 手表顯然沒有用鐘擺，那么它們是如何計(jì)時(shí)的？
  鐘擺是一個(gè)周期性的機(jī)械系統(tǒng)，有著準(zhǔn)確的周期。還有具有相同特性的其他機(jī)械系統(tǒng)。例如，發(fā)條上的鐘錘振動(dòng)具有精確的周期。另一個(gè)例子是軸上帶發(fā)條的擺動(dòng)輪。這種情況下，發(fā)條會(huì)使擺動(dòng)輪在軸上來回旋轉(zhuǎn)。大多數(shù)機(jī)械手表都采用擺動(dòng)輪或彈簧發(fā)條設(shè)計(jì)。

• 鐘錘驅(qū)動(dòng)和發(fā)條驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘之間有什么區(qū)別？
  實(shí)際上沒有區(qū)別。兩種時(shí)鐘都是靠重力和發(fā)條存儲(chǔ)能量。發(fā)條驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘可以對(duì)發(fā)條上弦，并且它具有和鐘錘驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘相似的發(fā)條走松齒輪系。

• 如何做才能讓時(shí)鐘更精確？
  介紹一本優(yōu)秀的書籍，書名是“Longitude:The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time”，作者達(dá)娃·索貝爾，書中講述了發(fā)明極精確的機(jī)械時(shí)鐘找到一艘船的經(jīng)度的故事。設(shè)計(jì)可以在船上使用的精確機(jī)械時(shí)鐘（和擺鐘不同……）是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)！

• 大座鐘上月相盤的工作原理是什么？
  月相盤的運(yùn)作和鐘表的針一樣。鐘表上的分針的運(yùn)轉(zhuǎn)速度是每小時(shí)旋轉(zhuǎn)一周，時(shí)針運(yùn)動(dòng)的速度是每12小時(shí)旋轉(zhuǎn)一周。月相盤運(yùn)動(dòng)的速度是每56天左右旋轉(zhuǎn)一周。月球的自轉(zhuǎn)周期是28天，因此月相盤上通常有兩個(gè)月亮。