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摆钟是如何工作的?图解其工作原理

2020-03-12  制造原理
不知道你发现没有在我们生活中有很多有趣的现象,比如看演唱会时几万人会随着音乐的响起逐渐整齐划一的左右摇摆,夏天晚上很多的萤火虫会在黑夜中同时发出亮光,又会同时熄灭,还有一片树林会在同一时间开花,甚至据说女性在一起呆的时间久了大姨妈的时间都会同步,其实这些有规律的现象就是同步现象。

通过科学的实验也证明了这种现像的存在,将很多的节拍器放在一块悬挂的木板上,将它们随意的左右拨动,节拍器会从最开始的混乱摆动,到最后就会完全同步摆动,这个实验就是摆动的同步现象。


而同样是摆动,还有一种现象就是摆动的等时性,我们生活中所使用的摆钟就是利用摆动的等时性制成的。

摆钟是最早能够精确计时的一种时钟,摆钟是根据单摆的定律制造而成的,诞生后至今已有三百多年的历史,今天还有很多家庭仍在使用。
图片来源:pixabay

摆的等时性

人们在日常的生活生产中发现,物体在摆动中循环反复也是有规律的,用一根绳子将物体悬挂后,给这个物体施加推力后就会左右反复的摆动,而这就是单摆。

物体在摆动的过程中,会由于对物体所施加的推力不一样,所以物体摆动的幅度也会不一样,如果给物体施加的推力大那么就会摆动的幅度较大,如果推力较小那么摆动的幅度也就会小。

当物体摆动达到一侧最高点后,就会在重力的影响下往回摆,当到达最低位置时,又会由于运动的惯性物体并不会停止,而是冲过最低点摆到另一侧的最高位置,在重力的作用下加速停止,然后再次往回摆,物体就会在两个高点之间往返摆动。

在摆绳一样长的前提下,完成一次摆动的时间是完全相同的,这与物体本身的重量,以及左右摆动的幅度是没有关系的,也就是说同一个物体不管你施加的推力是大还是小,物体摆动一周所需要的时间是一样的,这就是摆的等时性,也正是因为摆的这种等时性,使它具备了计时的本领。


摆钟的发展

古时候的人们从自然现象中发现了很多循环反复的规律,如太阳的日升日落,月亮的阴晴圆缺还有四季的变化,于是人们就开始利用这些规律来计时,但是这些计时方法并不是很准确。

随着科学技术的发展,时间的测量迈向准确的开始,是从17世纪开始的,当时意大利天文学家伽利略偶然在教堂里发现,一阵风吹过后教堂顶上挂着的灯就开始左右摇摆,随着时间的推移能量越来越少,灯摇摆的幅度也就越来越小了。

伽利略用自己的脉搏来测量灯单次摆动所用的时间,经过无数次的实验后伽利略发现,不管摆动的幅度大小,但摆动一次所用时间是一样的,这也为后来的人发明摆钟奠定了理论基础。


1657年,荷兰人惠更斯根据伽利略所提出摆的等时性,提出了单摆的计算公式,并成功的制造出了世界上第一个摆钟,这也极大的促进了航海业和计时系统的发展。

后来摆钟又经过了很多次的改进,报时方法也从常用的机械报时,发展到部分使用电子扩音报时,摆钟这种独特的计时工具也一直沿用至今。


摆钟的结构

摆钟主要由钟摆,擒纵器机构,表盘和指针组成的,它们之间的精密协调运作保证了整个摆钟计时的精确。

而整个摆钟最核心的机构就是擒纵机构,它是一种机械能量传递的开关装置,所谓的擒-纵就是对应的关-开,主要用擒纵叉控制擒纵轮转动,从而指示准确的时间。


摆钟的工作原理

摆钟是通过让齿轮匀速运行,一堆齿轮纵横交错地镶嵌在钟表里面,专门负责计算过了多少秒钟,然后转化成分钟和小时,再显示在钟面上,供人们观看时间。

摆钟工作主要应用了单摆的等时性,还有就是巧妙的应用了齿轮与擒纵器的组合,利用摆锤每次单摆所用时间一样,来控制擒纵器交叉收放齿轮,所以这也是我们所听到摆钟滴答滴答声音的原因。

擒纵机构的主要功能是当摆锤摆到右侧时,带动擒纵叉向右转动将转动的擒纵轮擒住(关),而当摆锤向左摆时,带动擒纵叉向左转动,此时右侧是擒纵叉松开(开)擒纵轮,左侧的擒纵叉则会再次擒住擒纵轮,整个擒纵机构就是如此往复运行的。
擒纵轮是作为一个储能装置为摆锤提供动力,当擒纵轮向前转动一下,秒针就会精确的在钟面上用一秒移动一格,这就是摆锤的作用,擒纵轮的转动带动摆锤以及通过齿轮带动秒针,分针和时针转动计时。

我们生活中例如节拍器,可以用来计时,这种用单摆来计时的优点是有规律,但是也有着不易携带,体积占空间的缺点,但摆钟也曾是20时间30年代以前世界上最精确的计时工具,为人类的精确计时也曾做出过贡献。

文中Gif截取自Youtube《Galileo and the pendulum》《Pendulum clock mechanism》《中国数字科技馆 之摆钟》

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