机械钟简介及发展历史

机械钟是人类智慧的结晶。早在北宋时期就出现了以齿轮运转模仿日月星辰周期的机械钟。欧洲的机械钟诞生于13世纪，有个叫维克的德国人，给当时的法国皇帝做了一个钟，历时八年，极为精美，可谓鬼斧神工。最早传入我国的欧洲机械钟是在明朝万历年间，是用来专门献给万历皇帝的，万历皇帝收到此礼物后，极为欣赏，几乎日日观赏，夜夜抚
能够自动报时的机械钟。1335年公共时钟的出现，使机械钟第一次进入人们的日常生活。由于结构复杂，驱动系统十分笨重，机械钟的体积相当的庞大，根本不可能进入家庭。
结构发展史
欧洲最早的机械钟是图1所画的重锤式机械钟，这也是欧洲最早的一种依靠擒纵装置进行守时的计时器。

图1

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 于是，马上发布召令，成立专门制作机械钟的宫廷造办作坊，专供他和皇亲国戚及心腹大臣使用。

图2

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3

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到动力机构的干扰了。之后，惠更斯又发明了一种游丝—摆轮装置。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这种机构的