摆钟

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，又从电子钟

到原子钟，可谓变化万千，但是钟表

运行的原理都是相同的。所不同的是

钟表的计时方式不一样。摆钟靠摆锤

的摆动计时，机械手表靠摆轮和游丝

计时，电子表靠电磁振动计时，石英

钟靠石英晶体的振动计时，原子钟靠

电子在原子内跃迁时发光的频率来

计时，它的振动频率最稳定，已成为

世界上精度最高的钟。