摆钟是怎么被发明.doc

摆钟是怎么被发明的? 对摆的研究是惠更斯所完成的最出色的物理学工作。多少世纪以来，时间测量始终是摆在人类面前的一个难题。当时的计时装置诸如日晷、沙漏等均不能在原理上保持精确。直到伽利略发现了摆的等时性，惠更斯将摆运用于计时器，人类才进入一个新的计时时代。 当时，惠更斯的兴趣集中在对天体的观察上，在实验中，他深刻体会到了精确计时的重要性，因而便致力于精确计时器的研究。当年伽利略曾经证明了单摆运动与物体在光滑斜面上的下滑运动相似，运动的状态与位置有关。惠更斯继承了伽利略关于摆的研究。他发现，单摆只是近似等时，真正等时的摆动轨迹不应是一段圆弧而应是一段摆弧。他创造性地让悬线在两片摆线状夹板之间运动，这样的摆动就是一段摆弧。将这个发现运用于设计之中，惠更斯于 1656年造出了人类历史上第一架摆钟，并将它献给了荷兰政府。这架摆钟由大小、形状不同的一些齿轮组成，利用重锤做单摆的摆锤，由于摆锤可以调节，计时就比较准确。这台钟的问世标志着人类进入了一个新的计时时代。 1657年，惠更斯取得了摆钟的专利。1658年，出版钟表论一书，对摆钟的结构作了说明。惠更斯详细地介绍了制作有摆自鸣钟的工艺，还分析了钟摆的摆动过程及特性，首次引进了“摆动中心”的概念。他指出，任意形状的物体在重力作用下绕一水平轴摆动时，可以将它的质量看成集中在悬挂点到重心之间连线上的某一点，这样复杂形体的摆动就可以简化为较简单的单摆运动了。在研制摆钟时，惠更斯还进一步研究了单摆运动，他制作了一个秒摆（周期为2秒的单摆），导出了单摆的运动公式。 后来，惠更斯和胡克还各自发现了螺旋式弹簧丝的振荡等时性，这为近代游丝怀表和手表的发明创造了条件。欧洲的机械钟的早期发展是怎么样的? 欧洲最早的机械钟是图1所示的重锤式机械钟，这也是欧洲最早的一种依靠擒纵装置进行授时的计时器。图2画出了这种机械钟主要工作机构的简化图。这种钟以一个重锤提供驱动力，悬挂重锤的绳子缠绕在一根轴上，重锤下落，带动轴转动，并将转动传递给守时机构。守时机构包括一套擒纵装置和横摆，擒纵装置主要由棘轮和带棘爪的心轴组成，心轴上方与横摆相连。当棘轮在重锤的带动下转动，上方的轮齿推开心轴上部的棘爪，使心轴转过一个角度，而这样刚好又使心轴下部的棘爪转过来挡在下方轮齿的去路上，棘轮继续转动将它推开后，心轴就转回原来的位置，完成了一次摆动。心轴每摆动一次，棘轮都转过一个相同的角度，而这种摆动的频率通过连在心轴上的横摆得到控制，从而具有等时性(如同单摆的等时性一样，这种等时性是可以用经典力学证明的)，这样，将棘轮的运动通过中轴传递给表盘上的指针，指针就可以匀速转动了。此外，由于横摆摆动的频率与横摆的转动惯量和棘轮施加给它的力量大小有关，而后者又最终由重锤所受的重力决定，不易调节，因此为方便对钟表运转速度进行调试，横摆两端的配重物被设计成可以移动的，向外移则横摆的转动惯量增大，钟速变慢，向内移则转动惯量减小，钟速变快。这种钟的缺点在于，重锤提供的驱动力在维持主要机械部分运转的同时，也是推动横摆摆动的唯一力量，而这个推力是与横摆的摆动频率相关的，当重锤提供的动力经过数重机械结构最终传递到横摆以后，其间的误差已经积累得非常大了。因此这种钟走得“很不准确”。伽利略发现单摆的等时性以后，建议研制利用单摆作为核心守时装置的计时器，这一提议在惠更斯手中得到实现。 图1 欧洲最早的机械图2 重锤式机械钟的简化图 ? 图3即是惠更斯摆钟的基本结构。钟的机械动力仍由重锤提供，但擒纵器的摆动频率由单摆控制。一个与擒纵器心轴连在一起的L形杆伸向单摆，L形杆的杆头分叉，刚好卡住刚性的摆棍，单摆摆动时带动L形杆转动，从而把摆动的频率传递给擒纵器。摆钟的优越性在于，单摆的频率与推动它的初始力量无关，而只与重力和摆长有关，这样守时机构就真的不再受动力机构的干扰了。之后，惠更斯又发明了一种游丝摆轮装置（见图4）。游丝是一个螺旋形的弹簧，连在摆轮上，当摆轮向一个方向转动，使游丝发生形变，产生一个力拉动摆轮回转，在转过平衡位置后，游丝再一次发生形变，又产生一个反向的力，重新把摆轮拉回来。这样就能维持一种能够周期性的震动，像横摆、单摆一样，用来控制擒纵器的频率。“游丝摆轮”与单摆一样独立于动力机构，其频率不受其他机械部分影响，而利用“游丝摆轮”制成的钟表相对于摆钟的优点主要在于不依靠重力，因此只要设计合理，那么其在移动中仍可准确走时，也就意味着相对更加便携。后来英国人哈里森发明的第一台能够精确运行的航海钟就采用了这种机构。 图3 惠更斯摆钟的基本结构图4“游丝-摆轮”装什么是“惠更斯摆钟之谜”? 惠更斯是17世纪荷兰伟大的物理学家、天文学家和数学家。1656年，他将单摆运动引入时钟，发明了著名的摆钟。惠更斯在研究摆钟的过程中发现，单摆的运动不严格等时。他认为，只有在摆角比较小的情况下，单摆的等时性才成立；当摆比较大的情况下，单摆的运动不严格等时，比如当摆角为60时，不严格等时性很明显。为了补偿单摆的不严格等时，惠更斯从证明摆线的几何性质开始，进而研究其在机械上的应用，利用摆线理论设计出了严格等时的摆钟结构。为了适应当时天文和航海发展的需要，测量海上地理经度，惠更斯设计了两个摆钟，希望其中一个在损坏或需要维修时，另一个能继续工作。但当他启动自己设计的摆钟后，却出现了非常奇怪的现象：两个摆钟都向反方向转动。当时，连惠更斯也解释不了这一奇怪现象。从此以后，一直没有人能对这一现象做出合理解释，这就是著名的“惠更斯摆钟”之谜。 几百年过去了，有许多科学家企图破解这一谜团，但始终没有人能够成功。美国亚特兰大技术大学的库尔特瓦伊杰菲利德在多年潜心研究的基础上，设计了同“惠更斯摆钟”完全一样的两个摆钟，对它们进行研究。他发现，只有在摆的重量同整个钟的重量比较大的情况下，摆钟运动具有同步性。进而他计算出，当摆的重量与整个钟的重量比小于1:120时，摆钟开始反方向转动；当这个系数大于1:80时，两个摆钟就能正常工作。 摆钟、机械表、石英钟和原子钟的运行原理一样吗? 因为单摆具有等时性 ,利用单摆的这种等时性，人们发明了计时的机械钟表。最早的摆钟出现于1657年，它是著名的荷兰物理学家惠更斯制造的。在人类发展的长河中，钟表经历了几代的变迁。从摆钟到座钟，从壁钟到挂钟，从怀表到各种各样的手表，从机械钟到电子钟，又从电子