摆钟工作原理

文章摘要：（注意：如果需要非常精确的钟摆周期，请参见下面相关文章。） 注意到有关钟摆的这个事实后，您就会发现可以用钟摆设计出准确的时钟。下图显示了利用钟摆设计时钟棘轮装置的方法。 棘轮装置中有一个轮齿带有特定形状的齿轮。还有一个钟摆，连接钟摆的是可以啮合齿轮轮齿的某种装置。图中展示的基本观点是，钟摆来回摆动一次，齿轮就会有一个轮齿“逃脱”。 <Script language=javascript><-- inject_code("");//--></Script> 例如，如果钟摆向左摆动并通过右图中所示的中心位置，那么当钟摆继续向左摆动

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（注意：如果需要非常精确的钟摆周期，请参见下面相关文章。）

注意到有关钟摆的这个事实后，您就会发现可以用钟摆设计出准确的时钟。下图显示了利用钟摆设计时钟棘轮装置的方法。

棘轮装置中有一个轮齿带有特定形状的齿轮。还有一个钟摆，连接钟摆的是可以啮合齿轮轮齿的某种装置。图中展示的基本观点是，钟摆来回摆动一次，齿轮就会有一个轮齿“逃脱”。

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例如，如果钟摆向左摆动并通过右图中所示的中心位置，那么当钟摆继续向左摆动时，连接钟摆的左侧制动部件便会将释放一个轮齿。然后，齿轮会前进半个轮齿的宽度并撞到右侧制动部件。向前运动并撞上制动部件的过程中，齿轮会发出声响……最常见的是“滴嗒”或“呜声”。这正是时钟或手表发出嘀嗒声的原因！

需要记住一件事，钟摆不会永不停歇地摆动。因此，棘轮装置齿轮的另一个作用是赋予钟摆足够的能量，使钟摆能够克服摩擦力并保持摆动。为了完成这个任务，锚（连接钟摆的机械装置的名称，每次释放一个棘轮装置齿轮轮齿）和棘轮装置齿轮的轮齿被设计为特殊形状。如果齿轮的轮齿正确逃脱，钟摆每摆动一次锚都会在适当的方向施加一个轻推力。轻推力增强了钟摆克服摩擦力所需的能量，从而使它能保持摆动。

这样，您就设计出了一个棘轮装置。如果棘轮装置齿轮有60个轮齿，该齿轮直接连接到上面讨论的钟锤滚筒，并且使用周期为一秒的钟摆，您就会成功设计秒针旋转速度为每分钟一周的时钟。如果非常小心地调整钟摆长度，我们可以设计出精确度非常高的时钟。

不过，该时钟虽然准确，但仍存在两个问题，这使它不太实用：

1. 大多数人都希望时钟有时针和分针。
   
2. 您必须每隔20分钟给时钟重新上一次发条。因为钟锤每分钟旋转一周，所以钟锤会很快地走松而落到地板上。大多数人都不会喜欢每隔20分钟重新上一次发条！

必须每隔20分钟重上一次发条的问题很容易解决。正如齿轮比原理中所讨论的，您可以设计高速比齿轮系，使齿轮滚筒每隔6至12小时旋转一周。这样，您会得到只需一周左右重新上一次发条的时钟。钟锤滚筒与棘轮装置齿轮之间的齿轮齿速比可能为500:1，如下图所示：

图中的棘轮装置齿轮有120个轮齿，钟摆的周期为半秒钟，并且秒针直接连到棘轮装置齿轮。钟锤齿轮系中每个齿轮的齿数比为8:1，因此整个齿轮系的齿数比为492:1。

您可以看到，如果让棘轮装置齿轮自身以60:1的齿数比驱动另一个齿轮系，则可以将分针安装到该齿轮系的最后一个齿轮上。齿数比为 12:1 的最后一个齿轮系将驱动时针。转瞬之间您就有了一个时钟！

虽然现在这个时钟不错，但还存在两个问题：

1. 时针、分针、秒针位于不同的轴上。这个问题通常利用齿轮上的空心轴加以解决，然后排列齿轮系，使驱动时针、分针和秒针的齿轮共用同一轴。空心齿轮轴是一个对准另一个。近距离观看任一时钟表面，您都可以看到这种排列。
   
2. 由于所有这些齿轮都直接连在一起，所以不能轻易地重新上紧发条或设置时钟。这个问题通常由一个可滑出齿轮系的齿轮来解决。当您拉出手表的转柄设置时间时，实际上运用的就是这个方法。在上图中，您可以设想临时取出黑色的小齿轮以上紧发条或设置时钟。

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