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你好奇的摆钟原理来了

互推小编
 

不知道你发现没有在我们生活中有很多有趣的现象，比如看演唱会时几万人会随着音乐的响起逐渐整齐划一的左右摇摆，夏天晚上很多的萤火虫会在黑夜中同时发出亮光，又会同时熄灭，还有一片树林会在同一时间开花，甚至据说女性在一起呆的时间久了大姨妈的时间都会同步（只是有这种说法，并没有科学依据），其实这些有规律的现象就是同步现象。

通过科学的实验也证明了这种现象的存在，将很多的节拍器放在一块悬挂的木板上，将它们随意的左右拨动，节拍器会从最开始的混乱摆动，到最后就会完全同步摆动，这个实验就是摆动的同步现象。

而同样是摆动，还有一种现象就是摆动的等时性，我们生活中所使用的摆钟就是利用摆动的等时性制成的。

摆钟是最早能够精确计时的一种时钟，摆钟是根据单摆的定律制造而成的，诞生后至今已有三百多年的历史，今天还有很多家庭仍在使用。

图片来源：pixabay

摆的等时性

人们在日常的生活生产中发现，物体在摆动中循环反复也是有规律地，用一根绳子将物体悬挂后，给这个物体施加推力后就会左右反复的摆动，而这就是单摆。

物体在摆动的过程中，会由于对物体所施加的推力不一样，所以物体摆动的幅度也会不一样，如果给物体施加的推力大那么就会摆动的幅度较大，如果推力较小那么摆动的幅度也就会小。

当物体摆动达到一侧最高点后，就会在重力的影响下往回摆，当到达最低位置时，又会由于运动的惯性物体并不会停止，而是冲过最低点摆到另一侧的最高位置，在重力的作用下加速停止，然后再次往回摆，物体就会在两个高点之间往返摆动。

在摆绳一样长的前提下，完成一次摆动的时间是完全相同的，这与物体本身的重量，以及左右摆动的幅度是没有关系的，也就是说同一个物体不管你施加的推力是大还是小，物体摆动一周所需要的时间是一样的，这就是摆的等时性，也正是因为摆的这种等时性，使它具备了计时的本领。

图片来源：中国数字科技馆 之摆钟

摆钟的发展

古时候的人们从自然现象中发现了很多循环反复的规律，如太阳的日升日落，月亮的阴晴圆缺还有四季的变化，于是人们就开始利用这些规律来计时，但是这些计时方法并不是很准确。

随着科学技术的发展，时间的测量迈向准确的开始，是从17世纪开始的，当时意大利天文学家伽利略偶然在教堂里发现，一阵风吹过后教堂顶上挂着的灯就开始左右摇摆，随着时间的推移能量越来越少，灯摇摆的幅度也就越来越小了。

伽利略用自己的脉搏来测量灯单次摆动所用的时间，经过无数次的实验后伽利略发现，不管摆动的幅度大小，但摆动一次所用时间是一样的，这也为后来的人发明摆钟奠定了理论基础。

1657年，荷兰人惠更斯根据伽利略所提出摆的等时性，提出了单摆的计算公式，并成功的制造出了世界上第一个摆钟，这也极大地促进了航海业和计时系统的发展。

后来摆钟又经过了很多次的改进，报时方法也从常用的机械报时，发展到部分使用电子扩音报时，摆钟这种独特的计时工具也一直沿用至今。

摆钟的结构

摆钟主要由钟摆，擒纵器机构，表盘和指针组成的，它们之间的精密协调运作保证了整个摆钟计时的精确。

而整个摆钟最核心的机构就是擒纵机构，它是一种机械能量传递的开关装置，所谓的擒-纵就是对应的关-开，主要用擒纵叉控制擒纵轮转动，从而指示准确的时间。

图片来源：中国数字科技馆 之摆钟

摆钟的工作原理

摆钟是通过让齿轮匀速运行，一堆齿轮纵横交错地镶嵌在钟表里面，专门负责计算过了多少秒钟，然后转化成分钟和小时，再显示在钟面上，供人们观看时间。

摆钟工作主要应用了单摆的等时性，还有就是巧妙的应用了齿轮与擒纵器的组合，利用摆锤每次单摆所用时间一样，来控制擒纵器交叉收放齿轮，所以这也是我们所听到摆钟滴答滴答声音的原因。

擒纵机构的主要功能是当摆锤摆到右侧时，带动擒纵叉向右转动将转动的擒纵轮擒住（关），而当摆锤向左摆时，带动擒纵叉向左转动，此时右侧是擒纵叉松开（开）擒纵轮，左侧的擒纵叉则会再次擒住擒纵轮，整个擒纵机构就是如此往复运行的。

擒纵轮是作为一个储能装置为摆锤提供动力，当擒纵轮向前转动一下，秒针就会精确的在钟面上用一秒移动一格，这就是摆锤的作用，擒纵轮的转动带动摆锤以及通过齿轮带动秒针，分针和时针转动计时。

我们生活中例如节拍器，可以用来计时，这种用单摆来计时的优点是有规律，但是也有着不易携带，体积占空间的缺点，但摆钟也曾是20时间30年代以前世界上最精确的计时工具，为人类的精确计时也曾做出过贡献。

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