摆钟工作原理

引言

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。

摆钟部件

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

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！

影响摆钟周期的因素

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。

（注意：如果需要非常精确的钟摆周期，请参见下面相关文章。）

注意到有关钟摆的这个事实后，您就会发现可以用钟摆设计出准确的时钟。下图显示了利用钟摆设计时钟棘轮装置的方法。

棘轮装置中有一个轮齿带有特定形状的齿轮。还有一个钟摆，连接钟摆的是可以啮合齿轮轮齿的某种装置。图中展示的基本观点是，钟摆来回摆动一次，齿轮就会有一个轮齿“逃脱”。

例如，如果钟摆向左摆动并通过右图中所示的中心位置，那么当钟摆继续向左摆动时，连接钟摆的左侧制动部件便会将释放一个轮齿。然后，齿轮会前进半个轮齿的宽度并撞到右侧制动部件。向前运动并撞上制动部件的过程中，齿轮会发出声响……最常见的是“滴嗒”或“呜声”。这正是时钟或手表发出嘀嗒声的原因！

需要记住一件事，钟摆不会永不停歇地摆动。因此，棘轮装置齿轮的另一个作用是赋予钟摆足够的能量，使钟摆能够克服摩擦力并保持摆动。为了完成这个任务，锚（连接钟摆的机械装置的名称，每次释放一个棘轮装置齿轮轮齿）和棘轮装置齿轮的轮齿被设计为特殊形状。如果齿轮的轮齿正确逃脱，钟摆每摆动一次锚都会在适当的方向施加一个轻推力。轻推力增强了钟摆克服摩擦力所需的能量，从而使它能保持摆动。

这样，您就设计出了一个棘轮装置。如果棘轮装置齿轮有60个轮齿，该齿轮直接连接到上面讨论的钟锤滚筒，并且使用周期为一秒的钟摆，您就会成功设计秒针旋转速度为每分钟一周的时钟。如果非常小心地调整钟摆长度，我们可以设计出精确度非常高的时钟。

不过，该时钟虽然准确，但仍存在两个问题，这使它不太实用：

1. 大多数人都希望时钟有时针和分针。
   
2. 您必须每隔20分钟给时钟重新上一次发条。因为钟锤每分钟旋转一周，所以钟锤会很快地走松而落到地板上。大多数人都不会喜欢每隔20分钟重新上一次发条！

关于摆钟发条的问题

必须每隔20分钟重上一次发条的问题很容易解决。正如齿轮比原理中所讨论的，您可以设计高速比齿轮系，使齿轮滚筒每隔6至12小时旋转一周。这样，您会得到只需一周左右重新上一次发条的时钟。钟锤滚筒与棘轮装置齿轮之间的齿轮齿速比可能为500:1，如下图所示：

图中的棘轮装置齿轮有120个轮齿，钟摆的周期为半秒钟，并且秒针直接连到棘轮装置齿轮。钟锤齿轮系中每个齿轮的齿数比为8:1，因此整个齿轮系的齿数比为492:1。

您可以看到，如果让棘轮装置齿轮自身以60:1的齿数比驱动另一个齿轮系，则可以将分针安装到该齿轮系的最后一个齿轮上。齿数比为 12:1 的最后一个齿轮系将驱动时针。转瞬之间您就有了一个时钟！

虽然现在这个时钟不错，但还存在两个问题：

1. 时针、分针、秒针位于不同的轴上。这个问题通常利用齿轮上的空心轴加以解决，然后排列齿轮系，使驱动时针、分针和秒针的齿轮共用同一轴。空心齿轮轴是一个对准另一个。近距离观看任一时钟表面，您都可以看到这种排列。
   
2. 由于所有这些齿轮都直接连在一起，所以不能轻易地重新上紧发条或设置时钟。这个问题通常由一个可滑出齿轮系的齿轮来解决。当您拉出手表的转柄设置时间时，实际上运用的就是这个方法。在上图中，您可以设想临时取出黑色的小齿轮以上紧发条或设置时钟。

您可以看到，尽管时钟内的所有齿轮使它看起来很复杂，但是摆钟的工作原理非常简单。它共分为五个基本部分：

• 钟锤或发条——这可以为时钟的指针旋转提供能量。
• 钟锤齿轮系——高齿速比齿轮系可以驱动钟锤滚筒增速，因此不需要频繁地重新上紧发条。
• 棘轮装置——由钟摆、锚和棘轮装置齿轮构成，棘轮装置可以精确调节钟锤能量释放的速度。
• 指针齿轮系——指针齿轮系可以减速，因此分针和时钟能够以正确的速度运转。
• 拨针机构——该机构可以分离、滑动或渐进齿轮系，因此时钟可以重新上紧发条和拨针。

 了解这些部件后，理解时钟工作原理就是轻松的事了！

常见时钟问题

下面是读者提出的一组问题：

• 手表显然没有用钟摆，那么它们是如何计时的？
  钟摆是一个周期性的机械系统，有着准确的周期。还有具有相同特性的其他机械系统。例如，发条上的钟锤振动具有精确的周期。另一个例子是轴上带发条的摆动轮。这种情况下，发条会使摆动轮在轴上来回旋转。大多数机械手表都采用摆动轮或弹簧发条设计。

• 钟锤驱动和发条驱动的时钟之间有什么区别？
  实际上没有区别。两种时钟都是靠重力和发条存储能量。发条驱动的时钟可以对发条上弦，并且它具有和钟锤驱动的时钟相似的发条走松齿轮系。

• 如何做才能让时钟更精确？
  介绍一本优秀的书籍，书名是“Longitude:The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time”，作者达娃·索贝尔，书中讲述了发明极精确的机械时钟找到一艘船的经度的故事。设计可以在船上使用的精确机械时钟（和摆钟不同……）是一个真正的挑战！

• 大座钟上月相盘的工作原理是什么？
  月相盘的运作和钟表的针一样。钟表上的分针的运转速度是每小时旋转一周，时针运动的速度是每12小时旋转一周。月相盘运动的速度是每56天左右旋转一周。月球的自转周期是28天，因此月相盘上通常有两个月亮。