擺鐘的工作原理
?????? ?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(shù)。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(diào)節(jié)擺的引用長度(l)即可調(diào)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(diào)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(fā)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(huán)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,擺脹長而鐘變慢;反之則擺縮短而鐘變快。因此,精密擺鐘常用不同的線脹系數(shù)的材料制成溫度補償管,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恒壓的殼體中,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(見鐘表日差)變化愈小,即等時性愈好,因而精密擺鐘常采用長擺桿小擺幅。但是,小擺幅對外界來的震動和撞擊很敏感,因而對安裝環(huán)境要求很高。擺鐘的走時日差一般可以達到20秒/天以內(nèi),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。
??????? 擺鐘的原理是利用單擺的等時性。正是這種性質(zhì)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于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(diào)整周期來計時。
擺鐘什么樣的結(jié)構(gòu)
擺鐘的機芯結(jié)構(gòu)通常包括走時和報時兩大系統(tǒng)。走時系統(tǒng)(見機械鐘表機構(gòu))包括走時原動系、傳動系、擒縱調(diào)速系、上條撥針系和指針系5個部分,其中擒縱調(diào)速系由擒縱機構(gòu)和擺錘振動系統(tǒng)組成,合稱擒縱調(diào)速器;報時系統(tǒng)由報時原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、控制機構(gòu)、打點機構(gòu)和調(diào)速器等5個部分組成。
單擺的周期公式:T=2π(l/g)^0.5
由公式知,擺長L和周期T成正比, 所以擺長越長,周期越長(鐘擺是單擺的一種) 單擺周期公式只適用于擺幅小于5度的機械振動。
早期的天文擺鐘
利用擺的機械振蕩產(chǎn)生穩(wěn)定頻率,以此作為頻率標準制成的計時儀器。16世紀中葉C.惠更斯根據(jù)伽利略發(fā)現(xiàn)的擺的等時性原理,發(fā)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(jīng)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(jù)天文擺鐘指示的相對均勻的時間發(fā)現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)的不均勻性。當鐘擺在一定的幅度內(nèi)擺動時,其周期只與擺長有關(guān),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于穩(wěn)定擺桿的長度,采取的措施有:擺桿用溫度系數(shù)小的材料(如銦鋼、石英等)制造或用兩種膨脹系數(shù)不同的金屬(如黃銅和鋼)熔合在一起以補償溫度變化,而且將鐘安放在恒溫室內(nèi) ,罩入真空罩中 ,實行鐘體(母鐘)與鐘面(子鐘)分離,由母鐘控制子鐘指示時刻。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,而石英鐘則廣泛流行。
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