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械鬧鐘的內部結構，看過所有的齒輪和彈簧發條后，是否想，“哇——這么復雜！？”雖然時鐘通常非常復雜，但您不必覺得困惑或不可思議。事實上，了解時鐘工作原理時，您可以想象時鐘設計者們是如何面對和解決大量有趣的問題，并設計出準確的計時設備的。本文將幫助您了解是什么使時鐘發出嘀嗒聲，所以下次看到時鐘內部結構時您就會明白一切了。

擺鐘部件

從1656年起，人們便開始使用擺鐘計時了，但是此后擺鐘的發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鐘。如果從外部觀看擺鐘，可以發現幾個對所有時鐘的機械裝置而言都很重要的部件：

• 時鐘的表面、時針和分針（有時甚至有“月相”盤）。
• 有一個或多個鐘錘（如果時鐘更現代，會有一個鎖眼可用于給時鐘內上緊發條——本文將繼續以鐘錘驅動的時鐘為例）。
• 當然，還有鐘擺本身。

大多數掛鐘都有鐘擺，每秒鐘擺動一次。小布谷鳥鐘的鐘擺可以每秒鐘擺動兩次。大座鐘的鐘擺每兩秒鐘擺動一次。那么，這些部件如何協作以保持時鐘運行和時間準確呢？

鐘錘

鐘錘的作用是作為一個能量存儲裝置，因此時鐘可以在無人值守的情況下運行相對較長的時間。為鐘錘驅動的時鐘上緊發條時，可以拉緊繩索提起鐘錘。這會在地球重力場的作用下賦予鐘錘勢能。我們一會可以看到，鐘利用的正是鐘錘下落時的勢能驅動機構進行運轉。

舉例來說，我們要利用下落的鐘錘設計一個最簡單的時鐘——只有秒針的時鐘。我們想在這個簡單的時鐘上安裝秒針，使它象任何時鐘上的正常秒針一樣工作，每60秒旋轉一周。我們可以嘗試按右圖所示的設計，只需將鐘錘細繩連接到滾筒，然后將秒針也連接到滾筒上。當然，這并不會起作用。在這個簡單的機構中，釋放鐘錘會導致它快速下落，使滾筒以約1,000rpm（轉數/分）的速度旋轉，直到鐘錘落到地板上。

但是，它會在正確的方向前進。舉例來說，我們在滾筒上放置某種摩擦裝置——某種制動襯片或可以讓滾筒減速的東西。這會起到作用。我們當然能根據使秒針每分鐘旋轉一周的摩擦力來設計某種方案。但它只能是近似值。隨著空氣溫度和濕度的變化，裝置的摩擦力也會改變。因此，秒針不會保持非常好的準確性。

因此，追溯到17世紀，希望制造出準確時鐘的人們曾努力解決如何使秒鐘每分鐘旋轉一周的問題。荷蘭天文學家克里斯琴?惠更斯（Christiaan Huygens ）被譽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：鐘擺擺動的周期（鐘擺來回擺動一次所用的時間）只和鐘擺的長度和重力有關。由于地球上任何特定點的重力都是恒定的，所以影響鐘擺運動周期的只有鐘擺的長度。重量并不是問題，鐘擺擺動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驗！

影響擺鐘周期的因素

正如我們在上一頁所說的那樣，影響擺鐘周期的唯一因素是鐘擺的長度。您可以通過以下實驗證明這個事實。要做這個實驗，您需要準備：

• 鐘錘
• 細繩
• 桌子
• 帶秒針的手表（或有數字秒數顯示的數字手表）

您可以將任何東西當作鐘錘。必要時，咖啡杯或書都可以——這并不重要。將細繩系到鐘錘上。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：

現在將鐘錘向后拉約30厘米，然后讓鐘擺開始擺動。計時30或60秒鐘，統計鐘擺來回擺動的次數。記住擺動次數。現在，停止鐘擺然后重新開始擺動它，但這次只將它向后拉約15厘米，這樣它擺動的弧度就比較小。同樣在30或60秒鐘內統計擺動次數。您會發現得到的統計數字與第一次統計的數字相同。換句話說，鐘擺擺動的弧度對周期沒有影響。只有鐘擺線繩的長度至關重要。如果擺弄鐘擺長度，您會發現可以通過調整鐘擺長度使它來回擺動60次正好為一分鐘。

（注意：如果需要非常精確的鐘擺周期，請參見下面相關文章。）

注意到有關鐘擺的這個事實后，您就會發現可以用鐘擺設計出準確的時鐘。下圖顯示了利用鐘擺設計時鐘棘輪裝置的方法。

棘輪裝置中有一個輪齒帶有特定形狀的齒輪。還有一個鐘擺，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是，鐘擺來回擺動一次，齒輪就會有一個輪齒“逃脫”。

需要記住一件事，鐘擺不會永不停歇地擺動。因此，棘輪裝置齒輪的另一個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擺動。為了完成這個任務，錨（連接鐘擺的機械裝置的名稱，每次釋放一個棘輪裝置齒輪輪齒）和棘輪裝置齒輪的輪齒被設計為特殊形狀。如果齒輪的輪齒正確逃脫，鐘擺每擺動一次錨都會在適當的方向施加一個輕推力。輕推力增強了鐘擺克服摩擦力所需的能量，從而使它能保持擺動。

這樣，您就設計出了一個棘輪裝置。如果棘輪裝置齒輪有60個輪齒，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，您就會成功設計秒針旋轉速度為每分鐘一周的時鐘。如果非常小心地調整鐘擺長度，我們可以設計出精確度非常高的時鐘。

不過，該時鐘雖然準確，但仍存在兩個問題，這使它不太實用：

1. 大多數人都希望時鐘有時針和分針。
   
2. 您必須每隔20分鐘給時鐘重新上一次發條。因為鐘錘每分鐘旋轉一周，所以鐘錘會很快地走松而落到地板上。大多數人都不會喜歡每隔20分鐘重新上一次發條！

關于擺鐘發條的問題

必須每隔20分鐘重上一次發條的問題很容易解決。正如齒輪比原理中所討論的，您可以設計高速比齒輪系，使齒輪滾筒每隔6至12小時旋轉一周。這樣，您會得到只需一周左右重新上一次發條的時鐘。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。鐘錘齒輪系中每個齒輪的齒數比為8:1，因此整個齒輪系的齒數比為492:1。

您可以看到，如果讓棘輪裝置齒輪自身以60:1的齒數比驅動另一個齒輪系，則可以將分針安裝到該齒輪系的最后一個齒輪上。齒數比為 12:1 的最后一個齒輪系將驅動時針。轉瞬之間您就有了一個時鐘！

雖然現在這個時鐘不錯，但還存在兩個問題：

1. 時針、分針、秒針位于不同的軸上。這個問題通常利用齒輪上的空心軸加以解決，然后排列齒輪系，使驅動時針、分針和秒針的齒輪共用同一軸。空心齒輪軸是一個對準另一個。近距離觀看任一時鐘表面，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條或設置時鐘。這個問題通常由一個可滑出齒輪系的齒輪來解決。當您拉出手表的轉柄設置時間時，實際上運用的就是這個方法。在上圖中，您可以設想臨時取出黑色的小齒輪以上緊發條或設置時鐘。

您可以看到，盡管時鐘內的所有齒輪使它看起來很復雜，但是擺鐘的工作原理非常簡單。它共分為五個基本部分：

• 鐘錘或發條——這可以為時鐘的指針旋轉提供能量。
• 鐘錘齒輪系——高齒速比齒輪系可以驅動鐘錘滾筒增速，因此不需要頻繁地重新上緊發條。
• 棘輪裝置——由鐘擺、錨和棘輪裝置齒輪構成，棘輪裝置可以精確調節鐘錘能量釋放的速度。
• 指針齒輪系——指針齒輪系可以減速，因此分針和時鐘能夠以正確的速度運轉。
• 撥針機構——該機構可以分離、滑動或漸進齒輪系，因此時鐘可以重新上緊發條和撥針。

了解這些部件后，理解時鐘工作原理就是輕松的事了！

常見時鐘問題

下面是讀者提出的一組問題：

• 手表顯然沒有用鐘擺，那么它們是如何計時的？
  鐘擺是一個周期性的機械系統，有著準確的周期。還有具有相同特性的其他機械系統。例如，發條上的鐘錘振動具有精確的周期。另一個例子是軸上帶發條的擺動輪。這種情況下，發條會使擺動輪在軸上來回旋轉。大多數機械手表都采用擺動輪或彈簧發條設計。

• 鐘錘驅動和發條驅動的時鐘之間有什么區別？
  實際上沒有區別。兩種時鐘都是靠重力和發條存儲能量。發條驅動的時鐘可以對發條上弦，并且它具有和鐘錘驅動的時鐘相似的發條走松齒輪系。

• 如何做才能讓時鐘更精確？
  介紹一本優秀的書籍，書名是“Longitude:The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time”，作者達娃·索貝爾，書中講述了發明極精確的機械時鐘找到一艘船的經度的故事。設計可以在船上使用的精確機械時鐘（和擺鐘不同……）是一個真正的挑戰！

• 大座鐘上月相盤的工作原理是什么？
  月相盤的運作和鐘表的針一樣。鐘表上的分針的運轉速度是每小時旋轉一周，時針運動的速度是每12小時旋轉一周。月相盤運動的速度是每56天左右旋轉一周。月球的自轉周期是28天，因此月相盤上通常有兩個月亮。