摆钟

图 68—多佛钟（1348 年）

古代和中世纪已经应用各种仪器来计量时间，其中有些一直留传到了今天，但只是作为装饰品或者玩具。人们现在仍旧相当熟悉日规（即阴影钟）、漏壶（即水钟）和砂漏。人们还曾用附上标(110)尺的点燃的蜡烛或者油灯来计量流逝的时间。中世纪后期已经开始使用粗糙的摆轮钟。这种用重锤驱动

的钟似乎早在十一世纪就有一些修道院在使用了。十三世纪开始形成在大教堂尖顶安装这种钟的风气；及至十四世纪，这种习俗已经相当流行。这些钟用风向标或者一根水平加载的横杆即心轴调整。这种钟现存最早的实物示干图 68，它自 1348 年到 1872 年一直在多佛报时，现存伦敦南肯辛顿的科学博物馆。悬挂在绳索上的驱动锤（未示出）转动嵌齿轮，而后者与相邻的嵌齿轮啮合并使之运动，这个嵌齿轮又同一个水平摆的垂直轴啮合。水平摆由通过两块板传递到其轴的冲力驱动，而这两块板与第二个嵌齿轮相对点上的轮牙接合。摆动的频率用滑动锤控制。下一个图（图 69）比较清楚他说明了这种钟(111)（带有一个心轴节摆件）的机构。AB 是一根杆（称为“心轴”）， 每端各有一个重锤。它固定的位置同一根水平轴 c 相垂直，后者安装在贴近水平“冕状”齿轮 E 的支枢上。轴 C 上装有两个“棘爪”F 和 G，它们与冕状齿轮 E 的相对轮牙啮合，齿轮 E 则由绳索和重锤 H 驱动旋转。当冕状齿轮旋转时，一个棘爪与该齿轮的一个轮牙啮合。这制动了心轴，并使之沿相反方向摆动。随着这个过程的继续，就保持了一种周期性的摆动。借此摆动，就可以用一个通过“齿轮套齿轮”而同冕状齿轮相连的度盘来计量时间。

图 69—心轴节摆件 图 70—伽利略的摆钟图 71—双线摆

在上述各种钟里，漏壶最适用于计量短的时间间隔，因此甚至在十七世纪还这样使用它。我们已经看到，枷利略何等机智地把水钟同天平结合起来应用，以便测量非常短的时间，适应他的落体实验的需要。我们还将看到， 伽利略发现的摆的等时性怎样可以应用于制造一种医用仪器（脉搏计），用于测量病人脉搏的速率（见边码第 433 页）。它由一个由一根线悬着的摆组成，线的长度可以伸缩，直到摆的摆动频率和脉搏速率相等；利用一种任意单位的指标，即可进行医学上有用的比较。并且，如已经说明过的那样，伽利略在其生命的最后时刻曾发明过一种用一个摆来计量时间的方(112)法。这个摆由自动作用的冲力维持运动，摆动次数则用时钟机构记录在一个度盘上。伽利略向他的儿子芬琴齐奥和他的门生维维安尼说明了他的设计，而他们两人画了一张图（图 70 就是根据这个图画的）。然而，芬琴齐奥还没有完成他父亲的计划就先死了，因此发明摆钟的任务就注定地落到了克里斯琴·惠更斯的身上。但是，西芒托学院以发明双线摆也作出了重要贡献（图 71）。

图 72—惠更新的钟

惠更斯于 1657 年取得了他的钟的专利权。他在其《摆钟论》(113)

（Horlolgium Oscillatorium）（巴黎，1673 年）里对此有详尽的叙述，这本书另外还论述了他研究钟摆运动时所发生的许多力学问题。取自这本书的图 72 示出惠更斯的钟的局部。象早期的时钟一样，它也由一个下垂的重锤驱动，后者由绕在鼓 D 上的绳索支承。这个重锤的拉力驱动时钟，井通过经由一个节摆伴向摆施以周期的、瞬时的冲力而使摆保持运动。摆本身又调节着重锤的下降和指针的运动。这种仪器的关键部件是水平节摆轮 K，它的轮牙

交替作用于一个同摆相连的水平轴的两个棘爪 L.L。惠更斯的摆钟有一台今天仍保存在莱顿大学，但它不是他最初的那种，虽然有人这样认为。

现在通用的节摆锚是晚些时候发明的。一个伦敦钟表制造者克莱门特于1680 年把它引入钟表制造术，不过在此之前，罗伯特·胡克已经介绍过它， 或许还是他发明的。

图 73—摆的摆线运动图 74—摆线形夹片

《摆钟论》中所讨论的许多力学问题中，有一个是制造一种精确等时的

单摆的问题。惠更斯的解决办法是，使悬线轮番为两个摆线状的夹片所限制

（图 74）。在这些条件下，摆锤本身划出一条摆线，惠更斯表明这是一条等时曲线，即摆锤无论从 A 和 B 之间的任一点 P 出发，它都在同一时刻到达其弧的最低点 B。惠更斯把(114)这条原理应用于他的时钟，如图 72 所示；但是不久由于引入了节摆锚和利用小的冲力，这种装置就成为不必要的了。惠更斯也是手表的平衡发条的独立发明者（图 75）。他在巴黎发表了他关于摆钟的书。我们马上还将看到皮卡尔在巴黎天文台对他同事的发明的重要应用。

图 75—惠更斯的平衡发条

有一段时间里伽利略的追随者同惠更斯的朋友围绕摆钟发明的优先权发生争执。然而，惠更斯的发明无疑独立于伽利略的发明，两者在原理上根本不同。伽利略试图把时钟机构应用于摆，而惠更斯则把摆应用于现有的时钟以取代老式的平衡轮。