擺鐘是如何工作的,圖解其工作原理

2020-12-23 製造原理

不知道你發現沒有在我們生活中有很多有趣的現象,比如看演唱會時幾萬人會隨著音樂的響起逐漸整齊劃一的左右搖擺,夏天晚上很多的螢火蟲會在黑夜中同時發出亮光,又會同時熄滅,還有一片樹林會在同一時間開花,甚至據說女性在一起呆的時間久了大姨媽的時間都會同步(只是有這種說法,並沒有科學依據),其實這些有規律的現象就是同步現象。

通過科學的實驗也證明了這種現象的存在,將很多的節拍器放在一塊懸掛的木板上,將它們隨意的左右撥動,節拍器會從最開始的混亂擺動,到最後就會完全同步擺動,這個實驗就是擺動的同步現象。

而同樣是擺動,還有一種現象就是擺動的等時性,我們生活中所使用的擺鐘就是利用擺動的等時性製成的。

擺鐘是最早能夠精確計時的一種時鐘,擺鐘是根據單擺的定律製造而成的,誕生後至今已有三百多年的歷史,今天還有很多家庭仍在使用。

擺的等時性

人們在日常的生活生產中發現,物體在擺動中循環反覆也是有規律地,用一根繩子將物體懸掛後,給這個物體施加推力後就會左右反覆的擺動,而這就是單擺。

物體在擺動的過程中,會由於對物體所施加的推力不一樣,所以物體擺動的幅度也會不一樣,如果給物體施加的推力大那麼就會擺動的幅度較大,如果推力較小那麼擺動的幅度也就會小。

當物體擺動達到一側最高點後,就會在重力的影響下往回擺,當到達最低位置時,又會由於運動的慣性物體並不會停止,而是衝過最低點擺到另一側的最高位置,在重力的作用下加速停止,然後再次往回擺,物體就會在兩個高點之間往返擺動。

在擺繩一樣長的前提下,完成一次擺動的時間是完全相同的,這與物體本身的重量,以及左右擺動的幅度是沒有關係的,也就是說同一個物體不管你施加的推力是大還是小,物體擺動一周所需要的時間是一樣的,這就是擺的等時性,也正是因為擺的這種等時性,使它具備了計時的本領。

圖片來源:中國數字科技館 之擺鐘

擺鐘的發展

古時候的人們從自然現象中發現了很多循環反覆的規律,如太陽的日升日落,月亮的陰晴圓缺還有四季的變化,於是人們就開始利用這些規律來計時,但是這些計時方法並不是很準確。

隨著科學技術的發展,時間的測量邁向準確的開始,是從17世紀開始的,當時義大利天文學家伽利略偶然在教堂裡發現,一陣風吹過後教堂頂上掛著的燈就開始左右搖擺,隨著時間的推移能量越來越少,燈搖擺的幅度也就越來越小了。

伽利略用自己的脈搏來測量燈單次擺動所用的時間,經過無數次的實驗後伽利略發現,不管擺動的幅度大小,但擺動一次所用時間是一樣的,這也為後來的人發明擺鐘奠定了理論基礎。

1657年,荷蘭人惠更斯根據伽利略所提出擺的等時性,提出了單擺的計算公式,並成功的製造出了世界上第一個擺鐘,這也極大地促進了航海業和計時系統的發展。

後來擺鐘又經過了很多次的改進,報時方法也從常用的機械報時,發展到部分使用電子擴音報時,擺鐘這種獨特的計時工具也一直沿用至今。

擺鐘的結構

擺鐘主要由鐘擺,擒縱器機構,錶盤和指針組成的,它們之間的精密協調運作保證了整個擺鐘計時的精確。

而整個擺鐘最核心的機構就是擒縱機構,它是一種機械能量傳遞的開關裝置,所謂的擒-縱就是對應的關-開,主要用擒縱叉控制擒縱輪轉動,從而指示準確的時間。

圖片來源:中國數字科技館 之擺鐘

擺鐘的工作原理

擺鐘是通過讓齒輪勻速運行,一堆齒輪縱橫交錯地鑲嵌在鐘錶裡面,專門負責計算過了多少秒鐘,然後轉化成分鐘和小時,再顯示在鐘面上,供人們觀看時間。

擺鐘工作主要應用了單擺的等時性,還有就是巧妙的應用了齒輪與擒縱器的組合,利用擺錘每次單擺所用時間一樣,來控制擒縱器交叉收放齒輪,所以這也是我們所聽到擺鐘滴答滴答聲音的原因。

擒縱機構的主要功能是當擺錘擺到右側時,帶動擒縱叉向右轉動將轉動的擒縱輪擒住(關),而當擺錘向左擺時,帶動擒縱叉向左轉動,此時右側是擒縱叉鬆開(開)擒縱輪,左側的擒縱叉則會再次擒住擒縱輪,整個擒縱機構就是如此往復運行的。

擒縱輪是作為一個儲能裝置為擺錘提供動力,當擒縱輪向前轉動一下,秒針就會精確的在鐘面上用一秒移動一格,這就是擺錘的作用,擒縱輪的轉動帶動擺錘以及通過齒輪帶動秒針,分針和時針轉動計時。

我們生活中例如節拍器,可以用來計時,這種用單擺來計時的優點是有規律,但是也有著不易攜帶,體積佔空間的缺點,但擺鐘也曾是20時間30年代以前世界上最精確的計時工具,為人類的精確計時也曾做出過貢獻。

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