摆钟:小发明揭开现代技术的大序幕

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-01-05

三百年前如果没有它,对于“现在几点了”这个问题你也只能问太阳公公了。

  如果问现在几点钟?相信屏幕前的你一定会迅速通过各种电子设备给出准确的答案。其实,电子计时装置的广泛使用还不足百年,此前三百年里,计时领域的霸主非摆钟莫属。

图1 - 摆钟(网络图)

摆钟(网络图)

  1581年,意大利比萨大学的一个实验室里,一位大一新生端详着面前振动的单摆,陷入了沉思。这位学生正是日后的“现代科学之父”伽利略(Galileo),当时他只有17岁。不久前,伽利略前往比萨大教堂做礼拜,不经意间注意到吊灯随风摆动的现象。他发现,无论吊灯摆动幅度有多大,摆动时间似乎是不变的!

图2 - 伽利略画像(网络图)

伽利略画像(网络图)

  回到学校后,伽利略找来铜球和绳子模拟吊灯的摆动,经过反复实验后,他得出一条结论:摆的小摆动周期与摆长的平方根成正比,而和摆动幅度无关。这便是著名的“摆的等时性原理”。

  不过,伽利略一生爱好广泛,涉足的科学领域众多,他虽是第一个研究单摆运动问题的人,但并未在此问题上花费更多时间。直到60年后,他才着手利用摆的等时性原理制作更精准的计时钟。然而时不我与,次年,伽利略尚未造出计时钟便去世了。

图3 - 单摆运动模型(网络图)【备注:此图为动图】

单摆运动模型(网络图)【备注:此图为动图】

  当时,人们所采用的最好的计时装置一天会产生约15分钟误差,这对于长时间海上航行的人而言,无疑是个很大的麻烦,因为时间误差一秒相当于定位误差半海里。因此,人们对精准计时工具十分渴求,但随着一代科学宗师伽利略的离去,精准计时钟的研制工作不得不暂时停滞了。

  直到15年后,在欧洲大陆另一侧的荷兰,时年28岁的惠更斯(Huygens)给精准计时钟的出现带来了转机。惠更斯于1629年出生在荷兰海牙,是与牛顿同时代的科学巨匠,他自幼就表现出异于常人的动手能力,很善于将理论与实践相结合以解决实际问题,13岁时便自制了一台车床。

图4 - 惠更斯画像(欧洲航天局官网)

惠更斯画像(欧洲航天局官网)

  惠更斯当时非常痴迷于天文学,在长期的天文观测中,他愈发感到精确计时的重要性,便想自制一种精准计时的仪器。目光敏锐的惠更斯很快注意到了伽利略提出的“摆的等时性原理”,不久就据此绘出了摆钟的设计图。在一位钟表匠的帮助下,惠更斯经过多次尝试后,终于在1657年制成了世界上第一架摆钟。

图5 - 惠更斯设计的摆钟结构图(网络图)

惠更斯设计的摆钟结构图(网络图)

  惠更斯设计的摆钟由形状和大小各异的齿轮构成,用重锤作为单摆的摆锤,一天的计时误差不超过10秒,大大提高了钟表精度。或许你会问,为何惠更斯的摆钟计时更准确呢?

  别急,惠更斯早就告诉我们啦!他先后于1658年和1673年分别写了《摆钟》(Horologium)和《摆钟论》(Horologium Oscillatorium)两本书,详细介绍了摆钟的原理、制作工艺、摆动过程及特性。原来,他不仅采用了伽利略摆的等时性原理,还根据自己的研究结果,对伽利略的理论进行了大量扩充,比如:他第一次引进了“摆动中心”的概念,并给出了有关离心力的命题,惠更斯还从理论上推导论证了摆的周期与摆长及重力加速度之间的关系式。此外,惠更斯所制作的单摆摆锤是可以调节的,这也提高了计时的准确性。正是科学的理论,精妙的设计,再加上灵巧的双手,惠更斯成功研制出了第一架摆钟。

图6 - 荷兰阿姆斯特丹国立博物馆陈列的惠更斯摆钟(网络图)

荷兰阿姆斯特丹国立博物馆陈列的惠更斯摆钟(网络图)

  第一架摆钟虽然取得了成功,但它却很娇气,只有平稳放置才可正常工作,无法承受轮船上的颠簸。因此,惠更斯对第一架摆钟并不满意,他试图采用各种方法克服其缺点,不过效果并不理想。杰出的科学家从不会裹足不前,他们总能基于最新的科研成果推进自己的研究,惠更斯更是如此。

  学过中学物理的小伙伴一定对“胡克定律”不陌生,即弹簧的伸长量和弹力成正比。这一理论是力学弹性理论中的一条基本定律,由英国物理学家胡克(Hooke)于17世纪70年代提出。“胡克定律”提出后的几年间,诸多与弹簧有关的新发明不断涌现,我们喜欢动手的惠更斯先生自然对这些新发明产生了浓厚的兴致。

  1674年,在各式新发明的启发下,惠更斯发明了螺旋式游丝摆轮。基于这项新发明,惠更斯对摆钟进行了大胆改进,他利用弹簧摆轮往复运动的等时性,制成了弹簧摆轮的钟表。由于弹簧摆轮可做得很小,因而用其取代摆钟硕大的重锤后,便可制成体积更小的钟表。自此,便出现了轻巧、便于携带的手表和怀表。后来,英国的钟表匠哈里森经过不懈努力,终于研制出能适应颠簸等恶劣环境的摆钟(这点可参考文章《航海钟:工匠精神的完美诠释》哦)。钟表终于摆脱了娇气,开始走向实用。

图7 - 惠更斯发明的游丝摆轮(科学网)

 惠更斯发明的游丝摆轮(科学网)

  后来,钟表得以快速发展,形形色色的钟表层出不穷,被应用于航海、实验测时、家庭摆饰等。由于钟表内含大量微细零件,其广泛使用大大推动了加工制造业的发展,从而揭开了人类现代技术的序幕。钟表业的蓬勃发展催生了现代车床和现代金属加工技术,促进了航海、物理、天文等诸多学科和技术的发展。此外,值得一提的是,钟表工业还造就了一批精于机械的钟表匠,为西方现代技术的发展提供了大量优秀人才,这其中便包括改良蒸汽机的瓦特、发明蒸汽动力轮船的富尔顿和发明蒸汽机车的斯蒂芬森等人。

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  参考资料:

  戴瓦·索尔贝. 经度:寻找地球刻度的人[M]. 汤江波,译. 海口:海南出版社,2000.

  武际可. 力学史杂谈(十)[J]. 力学与实践,1998,20(2):73-76.

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