擺鐘

擺鐘

擺鐘是時鐘的一種。有擺錘控制機件均勻運轉的一種時鐘。用擺錘控制機件,使鍾走得快慢均勻,一般能報點。

基本信息

正文

擺鐘攝影圖擺鐘攝影圖
以擺作為振動系統的。通常都帶有報時功能,所以又稱自鳴鐘。1582~1583年,義大利物理學家和天文學家伽利略發現了擺的等時性。1657年,荷蘭物理學家和天文學家C.惠更斯利用擺的等時性原理發明了擺鐘。後經不斷改進,沿用至今。擺鐘可根據用途和要求製成座鐘、掛鍾、落地鍾、子母鐘的母鍾、天文鐘等型式。擺鐘的報時方式通常為機械打點報時,也有用電子擴音報時的。近代帝王宮廷中使用的擺鐘,常附有一套機械傳動機構,以精工製作的人物、山水、飛禽、走獸等活動形象進行報時。
擺鐘的機芯結構通常包括走時和報時兩大系統。走時系統(見機械鐘錶機構)包括走時原動系、傳動系、擒縱調速系、上條撥針系和指針系5個部分,其中擒縱調速系由擒縱機構和擺錘振動系統組成,合稱擒縱調速器;報時系統由報時原動機構、傳動機構、控制機構、打點機構和調速器等5個部分組成。
擺鐘是利用擺錘的周期性振動(擺動)過程來計量時間,時間=擺的振動周期×振動次數。而擺的振動周期

擺鐘

一般來說,擺的重量是確定的,調節擺的引用長度(l)即可調整擺的振動周期。擺的引用長度減短,時鐘變快;反之則變慢。對精密擺鐘,也有用附加重物法來微調擺的振動周期。擺鐘放置在不同的地理位置(不同的地球緯度和海拔高度)中,擺錘的重力加速度會發生變化從而影響其振動周期。擺鐘放置在不同溫度和氣壓的環境中,也會引起振動周期的變化。溫度變化會引起擺的各部分尺寸包括擺的引用長度的變化。一般是溫度升高,擺脹長而鍾變慢;反之則擺縮短而鍾變快。因此,精密擺鐘常用不同的線脹係數的材料製成溫度補償管,以補償溫度影響。氣壓的變化會引起空氣阻力和空氣密度的變化,從而引起振動周期的變化。因此,精密的擺鐘常將擺安裝在恆壓的殼體中,以消除氣壓影響。
擺的振動幅度影響到鐘的等時性。振幅愈小,振幅變化所造成的日差(見鐘錶日差)變化愈小,即等時性愈好,因而精密擺鐘常採用長擺桿小擺幅。但是,小擺幅對外界來的震動和撞擊很敏感,因而對安裝環境要求很高。擺鐘的走時日差一般可以達到20秒/天以內,精密擺鐘達千分之幾秒。
擺鐘是機械鐘。有的石英電子鐘雖然也裝有擺錘或扭擺,但只起裝飾作用。

發展歷史

以擺作為振動系統的鐘。通常都帶有報時功能,所以又稱自鳴鐘。1582~1583年,義大利物理學家和天文學家伽利略發現了擺的等時性。1657年,荷蘭物理學家和天文學家C.惠更斯利用擺的等時性原理髮明了擺鐘。後經不斷改進,沿用至今。擺鐘可根據用途和要求製成座鐘、掛鍾、落地鍾、子母鐘的母鍾、天文鐘等型式。擺鐘的報時方式通常為機械打點報時,也有用電子擴音報時的。近代帝王宮廷中使用的擺鐘,常附有一套機械傳動機構,以精工製作的人物、山水、飛禽、走獸等活動形象進行報時。
擺鐘的原理是利用單擺的等時性。正是這種性質可以用來計時。而單擺的周期公式是:時間=圓周率的2倍乘以(根號下擺長除以重力加速度)通過公式以及其推導可以看出來,單擺運動靠的是重力,和繩子的拉力。而擺動的周期僅僅取決於繩子的擺長和重力加速度。地球重力加速度固定,控制擺長可以調整周期來計時。

工作原理

德國擺鐘德國擺鐘
擺鐘是利用擺錘的周期性振動(擺動)過程來計量時間,時間=擺的振動周期×振動次數。而擺的振動周期T=2π(l/r)^0.5
一般來說,擺的重量是確定的,調節擺的引用長度(l)即可調整擺的振動周期。擺的引用長度減短,時鐘變快;反之則變慢。對精密擺鐘,也有用附加重物法來微調擺的振動周期。擺鐘放置在不同的地理位置(不同的地球緯度和海拔高度)中,擺錘的重力加速度會發生變化從而影響其振動周期。擺鐘放置在不同溫度和氣壓的環境中,也會引起振動周期的變化。溫度變化會引起擺的各部分尺寸包括擺的引用長度的變化。一般是溫度升高,擺脹長而鍾變慢;反之則擺縮短而鍾變快。因此,精密擺鐘常用不同的線脹係數的材料製成溫度補償管,以補償溫度影響。氣壓的變化會引起空氣阻力和空氣密度的變化,從而引起振動周期的變化。因此,精密的擺鐘常將擺安裝在恆壓的殼體中,以消除氣壓影響。
擺的振動幅度影響到鐘的等時性。振幅愈小,振幅變化所造成的日差(見鐘錶日差)變化愈小,即等時性愈好,因而精密擺鐘常採用長擺桿小擺幅。但是,小擺幅對外界來的震動和撞擊很敏感,因而對安裝環境要求很高。擺鐘的走時日差一般可以達到20秒/天以內,精密擺鐘達千分之幾秒。
擺鐘是機械鐘。有的石英電子鐘雖然也裝有擺錘或扭擺,但只起裝飾作用

使用

(1)放置:擺鐘不同於手錶、懷表等,它的顯著特點是要有一個比較固定的放置位置。放置不當或工作環境.低劣,都會對鍾機運行構成影響。因此,一定應講究放置環境。鬧、擺鐘一般應放置在溫度不經常起變化,位置固定不易受震動,空氣潔淨乾燥的地方。因為溫度高低變化會使鐘錶產生熱效應,引起走時精度降低、潤滑油失效、斷髮條和擺簧等問題。由於擺鐘的密封性不好,對空氣灰塵和溫度反應較靈敏,長期受污染會促使零部件腐蝕生鏽、潤滑油乾涸而影響鐘表的使用壽命。
(2)上弦:一隻表應有一個固定的上條時間。上條時間的固定,不但使鐘的計時有規律,而還會使發條忍受的拉力有一定的規律,從而提高發條的利用率。一般擺鐘一天上一次,十五天鍾半月一次,由於現在這類鐘錶基本採用螺鏇式發條,因此在上條時不必絕對上滿。據發條力矩的輸出特性知道,剛剛具有力矩和達到最大時力矩落差最大,落差越大,走時越不穩定。
(3)走時校準和快慢調整:發現鐘的走時與標準時間有一個較為固定的快慢誤差時,就要進行校正和調節。調整方法為先調節鐘的周期調速裝置,然後校對時間。
擺鐘的周期調節是通過擺砣下面的調速螺母完成的。螺母上移為縮短周期,鐘錶走快,螺母下移為延長周期,鐘錶走慢。螺母每轉一周(螺距調速範圍)可調快慢三分左右。
撥針時,如果需倒撥針,則應多撥一點,然後再順撥指針至標準時間,以消除由於倒撥針出現的齒間嚙合間隙。
(4)擺鐘的家庭保養:家庭養護對鐘的使用起很重要的作用,保養得好,既能延長使用壽命,又能提高和保證走時穩定。使用鬧鐘時,最好用鐘罩(或盒)罩住內機,增強密封性,實踐證明在玻璃罩內放置鬧鐘,使用七年不經拆洗走時仍然正常,如果暴露放置一般三年左右甚至更短時間就要清洗。
如果較長時間不用時,必須定期上條,以保持鍾機潤滑和避免零件生鏽。存放時不要接觸樟腦球,因為揮發的樟腦·氣體能與潤滑油起化學作用,使潤滑油失效。

天文擺鐘

astronomicalclock
利用擺的機械振蕩產生穩定頻率,以此作為頻率標準製成的計時儀器。16世紀中葉C.惠更斯根據伽利略發現的擺的等時性原理,發明了擺鐘。擺鐘是天文觀測中的計時工具,也是時間服務中的守時工具。早期擺鐘的走時誤差約每天0.1秒;經過不斷改進,到20世紀20年代誤差約每天幾毫秒,當時的天文學家曾依據天文擺鐘指示的相對均勻的時間發現了地球自轉的不均勻性。當鐘擺在一定的幅度內擺動時,其周期只與擺長有關,擺長隨溫度的變化給走時帶來誤差。克服這一缺陷的途徑在於穩定擺桿的長度,採取的措施有:擺桿用溫度係數小的材料(如銦鋼、石英等)製造或用兩種膨脹係數不同的金屬(如黃銅和鋼)熔合在一起以補償溫度變化,而且將鍾安放在恆溫室內,罩入真空罩中,實行鐘體(母鍾)與鐘面(子鍾)分離,由母鍾控制子鍾指示時刻。20世紀50年代初期,天文擺鐘已完全由精度更高的石英鐘取代。

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