意大利数学家、天文学家和物理学家伽利略曾想利用摆锤的特性制作一台摆钟,但没有等到实现,他就带着遗憾离世了。
不过,伽利略发现了摆的等时性原理,对早期机械钟的改进做出了重大贡献。
关于这一点,还有一则广为流传的传说:伽利略在上中学的时候,有一天去教堂做礼拜。一阵风吹来,挂在教堂天花板上的吊灯来回摆动。伽利略注意到,链条一样长的两盏吊灯,来回摆动的时间好像一样长。他想,摆动得快慢与摆锤大小和重量无关,而取决于摆的长短。摆长相同时,摆动的时间相等。
惠更斯摆钟
1656年,荷兰科学家惠更斯制作出了世界上第一台摆钟,他是在不知道伽利略摆钟原理的情况下发明的。在后来出版的《摆钟论》一书中,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和特性,首次引进了“摆动中心”的概念。他指出,任一形状的物体在重力作用下摆动时,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,以将复杂形体的摆动简化为简单的单摆运动来研究。
惠更斯发明的摆钟在运行时克服摩擦力所需的能量,由其中的重锤提供,而运行的速率由钟摆控制。旋转钟摆下端的螺母,可以使摆上的圆盘沿摆杆上下移动。
如果任由单摆来回摆动,它会慢慢减速并最终停止运动。惠更斯的设计让操纵装置的钟摆每次摆动时都施加了一点推力。
哈里森航海钟(www.xing528.com)
不过,摆钟的摆杆是用金属做的。金属的热胀冷缩也会影响摆的摆动周期,导致摆钟有误差。
后来,惠更斯还制作了两台航海钟,并曾经出海进行过检验。可是,钟摆只能在平静的海面上使用,一旦出现风浪就不准了。为此,惠更斯潜心研究,发明了螺旋平衡弹簧,代替了钟摆,并申请了专利。
1759年,英国钟表匠哈里森造出了一块直径为13厘米、重1.45千克的比怀表还大一点的航海表。这是第四代航海表,携带方便,准确性也大大提高了。经过80多天的海上航行,结果只慢了5秒钟。
锚形擒纵装置
惠更斯发明的航海钟误差比较大。15年后,另一位科学家发明了锚形擒纵装置,才解决了误差过大的问题。
锚形擒纵装置是根据形状命名的,它使来回摆动的空间更小。这样,运动距离缩短,摆钟就更加准确。
哈里森第四代航海表
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