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机械时钟,就是这么有历史

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机械时钟,就是这么有历史

发布日期:2018-01-17 00:00 来源:http://www.hnftc.com 点击:

时间之于人类的重要性不言而喻,这么一来,如何计时自然也是值得探索的。古人很早就开始研究计时工具,古巴比伦王国发明了土圭,原理我们都清楚,是根据太阳投影长短和方位的变化来判断时间。我国古代人民也有类似的发明:日晷、漏壶、沙漏等等,漏壶、沙漏是利用水流和沙流的流量计时。上述这些虽然能让人对时间有个大概了解,但还是有缺点的:不够精准!如果想知道现在到底是几点几分,是没办法做到的。


    日晷

     钟表的出现解决了这一难题,钟表包括钟和表两类,这是计量、指示时间的精密仪器。多亏了它们,人们可以既方便又精准地计算时间。起早的机械钟表是什么样子呢?


    起早出现的机械钟是东汉张衡发明的——漏水转浑天仪,齿轮将浑象和计时漏壶联结起来制作而成。漏壶漏水推动浑象匀速旋转,转一周就是一天。江山代有才人出,等到北宋时期,宰相苏颂和韩公廉等人创制的水运仪象台又多了一个小装置——擒纵器,号称是机械钟表的“心脏”。


    漏水转浑天仪

   欧洲古老的机械钟,出现在14世纪的欧洲,它是由挂在绳子一端的重锤所驱动,绳子的另一端绕在一个轴上,随着重锤的下降,轴相应地转动,再通过齿轮带动钟的指针旋转。


    1510年,德国锁匠彼得·亨莱思用钢发条代替重锤,创造了用冕状轮擒纵机构的小型机械钟表,然而这种表的计时效果并不理想:发条若是上得太紧,指针就会走得过快;发条若是上得过松,指针就会运行得慢。


    好在人类是有智慧的,这一缺点很快得到了改进,捷克人雅各布·赫克设计出了一个锥形涡轮,再加上一卷发条组成表的驱动机构,发条卷紧,力作用于锥形涡轮的顶端;发条放松,拉力减弱,力作用于涡轮底部,涡轮的形状恰好能补偿发条作用的变化,这样一来,钟表机械就可以保持匀速地运转。不会出现“发条不同的松紧导致时针走速不同”的现象。


    约在1582年,伽利略发明了重力摆,1657年,惠更斯将重力摆引入到机械钟中去,制作出了世界上一台精确的摆钟,这是机械时钟史上一大事件。

    相较于以前的需要驱动机构来推动对称横壁的钟表,摆钟显然要省事得多,利用地球的重力来推动。再到后来,单摆被应用于时钟,时钟也精度也因之越来越高。到了17世纪中叶,钟表的误差每天只有10分钟。

    近代西方的机械钟表是在明末时期传入中国的,1601年,意大利传教士利玛窦献给明代万历皇帝两把自鸣钟。正是这两把钟对我国的机械钟制造产生了影响,据说,当时利玛窦还对其进行了改造,为了使其适应中国的计时习惯,将24小时改成了12时辰,将阿拉伯数字改成了中国数字,并且将一天分为一百刻,将每段又分为一百分。


    利玛窦

    1660年,英国人胡克发明了游丝,用来控制摆轮在等时的往复运动,这个钟表里弹性元件的出现让钟表向着更加精密的方向发展。


    游丝

  虽然机械钟有很多结构,但工作原理大同小异。它的组成原件为原动系、传动系、擒纵调速器以及指针系上的条拨针系条等。在18-19世纪时,钟表制造业已经逐渐实现了工业化生产,20世纪,电子工业的迅速发展,催生了机械时钟的发展,电池驱动钟、电机械表、数字式的石英电子钟等等产品逐一问世。1969年,出现了石英表,石英表计时相当精准,误差在每日0.0001秒或者更少。


    机械时钟发展史还曾出现不少有意思的花絮,航海钟便是其中之一。航海钟,顾名思义,是用于远洋航海的精密钟。航海钟,发明于17世纪的后半叶,当时船航行时没有技术手段来测量经度,利用的是航海钟记录本初子午线的时间,再和船只所在位置的正午时间对照,通过差值换算所在位置的经度。


    欧洲各国为了争夺海上霸权,纷纷投入资金寻找测量经度的方法,英国自然是最活跃的一位,出台了法案,宣称只要有人能找到海上测量经度的方法,就能拿到2万英镑。重金之下必有勇夫,约翰·哈里森,这位自学成才的时钟制作师历经纠结领取了这一奖项。


    这是一段拉的很长的战役,哈里森在草图得到天文台台长哈雷,就是发现哈雷彗星那位的认可后,便开始着手制作。历经5年的时间,哈里森才制作出一台航海钟,我们姑且称之为H1,重达34公斤。哈里森进行了测试,发现它比当时所有的测量方法都要准确得多,但是精益求精的他并没有满足于此,又在这一基础上进行后续的改进,H2、H3,但是这一个个庞然大物并不方便携带,哈里森也是头大。一次偶然,他发现并将小型高频振子加以运用,虽然已是60岁的高龄,哈里森扔不介意重新来过,设计理论大改后制作出来的H4只是比怀表大了一点点,然而,这已是6年后。


    设立奖项的委员会让哈里森的儿子带着H4进行测试,远征牙买加,81天的海上航行发现,H4就只慢了5秒钟,误差远远小于委员会制定的限度。


    “经度之战”中,英国获得了先机,为海上争霸打下了基础,奠定了世界霸主的地位,由此可见,获取精准时间意义重大。如今,航海定位再也不是遥不可及的梦想了,钟表也进入了微电子技术与精密机械相结合的石英化新时期,获取准确的时间、位置都是简单的事情。不得不承认,科技的发展给我们带来了极大的便利。

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