摆钟工作原理

文章摘要：摆钟工作原理 您是否见过大座钟和小机械闹钟的内部结构，看过所有的齿轮和弹簧发条后，是否想，“哇——这么复杂！？”虽然时钟通常非常复杂，但您不必觉得困惑或不可思议。事实上，了解时钟工作原理时，您可以想象时钟设计者们是如何面对和解决大量有趣的问题，并设计出准确的计时设备的。本文将帮助您了解是什么使时钟发出嘀嗒声，所以下次看到时钟内部结构时您就会明白一切了。 从1656年起，人们便开始使用摆钟计时了，但是此后摆钟的发展一直没有太大的变化。摆钟是第一款具有一定精确度的时钟。如果从外部观看摆钟，可以发现几个对所有时钟的机械装置而言都很重要的部件： 时钟的表面、时针和分针（有时甚至有“月相”盘）

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摆钟工作原理

您是否见过大座钟和小机械闹钟的内部结构，看过所有的齿轮和弹簧发条后，是否想，“哇——这么复杂！？”虽然时钟通常非常复杂，但您不必觉得困惑或不可思议。事实上，了解时钟工作原理时，您可以想象时钟设计者们是如何面对和解决大量有趣的问题，并设计出准确的计时设备的。本文将帮助您了解是什么使时钟发出嘀嗒声，所以下次看到时钟内部结构时您就会明白一切了。

从1656年起，人们便开始使用摆钟计时了，但是此后摆钟的发展一直没有太大的变化。摆钟是第一款具有一定精确度的时钟。如果从外部观看摆钟，可以发现几个对所有时钟的机械装置而言都很重要的部件：

• 时钟的表面、时针和分针（有时甚至有“月相”盘）。
• 有一个或多个钟锤（如果时钟更现代，会有一个锁眼可用于给时钟内上紧发条——本文将继续以钟锤驱动的时钟为例）。
• 当然，还有钟摆本身。

大多数挂钟都有钟摆，每秒钟摆动一次。小布谷鸟钟的钟摆可以每秒钟摆动两次。大座钟的钟摆每两秒钟摆动一次。那么，这些部件如何协作以保持时钟运行和时间准确呢？

钟锤的作用是作为一个能量存储装置，因此时钟可以在无人值守的情况下运行相对较长的时间。为钟锤驱动的时钟上紧发条时，可以拉紧绳索提起钟锤。这会在地球重力场的作用下赋予钟锤势能。我们一会可以看到，钟利用的正是钟锤下落时的势能驱动机构进行运转。

举例来说，我们要利用下落的钟锤设计一个最简单的时钟——只有秒针的时钟。我们想在这个简单的时钟上安装秒针，使它象任何时钟上的正常秒针一样工作，每60秒旋转一周。我们可以尝试按右图所示的设计，只需将钟锤细绳连接到滚筒，然后将秒针也连接到滚筒上。当然，这并不会起作用。在这个简单的机构中，释放钟锤会导致它快速下落，使滚筒以约1,000rpm（转数/分）的速度旋转，直到钟锤落到地板上。

但是，它会在正确的方向前进。举例来说，我们在滚筒上放置某种摩擦装置——某种制动衬片或可以让滚筒减速的东西。这会起到作用。我们当然能根据使秒针每分钟旋转一周的摩擦力来设计某种方案。但它只能是近似值。随着空气温度和湿度的变化，装置的摩擦力也会改变。因此，秒针不会保持非常好的准确性。

因此，追溯到17世纪，希望制造出准确时钟的人们曾努力解决如何使秒钟每分钟旋转一周的问题。荷兰天文学家克里斯琴•惠更斯（Christiaan Huygens ）被誉为使用钟摆的第一人。由于钟摆具有非常有趣的特性，因此非常有用：钟摆摆动的周期（钟摆来回摆动一次所用的时间）只和钟摆的长度和重力有关。由于地球上任何特定点的重力都是恒定的，所以影响钟摆运动周期的只有钟摆的长度。重量并不是问题，钟摆摆动的弧长度也不是问题，只有钟摆的长度是决定因素。如果不信，您可以尝试做下一页的实验！

正如我们在上一页所说的那样，影响摆钟周期的唯一因素是钟摆的长度。您可以通过以下实验证明这个事实。要做这个实验，您需要准备：

• 钟锤
• 细绳
• 桌子
• 带秒针的手表（或有数字秒数显示的数字手表）

您可以将任何东西当作钟锤。必要时，咖啡杯或书都可以——这并不重要。将细绳系到钟锤上。然后将钟摆悬挂在桌子边缘，这样钟摆长度就大约有61厘米，如下图所示：

现在将钟锤向后拉约30厘米，然后让钟摆开始摆动。计时30或60秒钟，统计钟摆来回摆动的次数。记住摆动次数。现在，停止钟摆然后重新开始摆动它，但这次只将它向后拉约15厘米，这样它摆动的弧度就比较小。同样在30或60秒钟内统计摆动次数。您会发现得到的统计数字与第一次统计的数字相同。换句话说，钟摆摆动的弧度对周期没有影响。只有钟摆线绳的长度至关重要。如果摆弄钟摆长度，您会发现可以通过调整钟摆长度使它来回摆动60次正好为一分钟。

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