摆钟工作原理

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！

关于摆钟发条的问题

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。

您可以看到，尽管时钟内的所有齿轮使它看起来很复杂，但是摆钟的工作原理非常简单。它共分为五个基本部分：

• 钟锤或发条——这可以为时钟的指针旋转提供能量。
• 钟锤齿轮系——高齿速比齿轮系可以驱动钟锤滚筒增速，因此不需要频繁地重新上紧发条。
• 棘轮装置——由钟摆、锚和棘轮装置齿轮构成，棘轮装置可以精确调节钟锤能量释放的速度。
• 指针齿轮系——指针齿轮系可以减速，因此分针和时钟能够以正确的速度运转。
• 拨针机构——该机构可以分离、滑动或渐进齿轮系，因此时钟可以重新上紧发条和拨针。

了解这些部件后，理解时钟工作原理就是轻松的事了！

常见时钟问题

下面是读者提出的一组问题：

• 手表显然没有用钟摆，那么它们是如何计时的？
  钟摆是一个周期性的机械系统，有着准确的周期。还有具有相同特性的其他机械系统。例如，发条上的钟锤振动具有精确的周期。另一个例子是轴上带发条的摆动轮。这种情况下，发条会使摆动轮在轴上来回旋转。大多数机械手表都采用摆动轮或弹簧发条设计。

• 钟锤驱动和发条驱动的时钟之间有什么区别？
  实际上没有区别。两种时钟都是靠重力和发条存储能量。发条驱动的时钟可以对发条上弦，并且它具有和钟锤驱动的时钟相似的发条走松齿轮系。

• 如何做才能让时钟更精确？
  介绍一本优秀的书籍，书名是“Longitude:The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time”，作者达娃·索贝尔，书中讲述了发明极精确的机械时钟找到一艘船的经度的故事。设计可以在船上使用的精确机械时钟（和摆钟不同……）是一个真正的挑战！

• 大座钟上月相盘的工作原理是什么？
  月相盘的运作和钟表的针一样。钟表上的分针的运转速度是每小时旋转一周，时针运动的速度是每12小时旋转一周。月相盘运动的速度是每56天左右旋转一周。月球的自转周期是28天，因此月相盘上通常有两个月亮。