摆的等时性原理

时间:2023-08-13 17:01:16编辑:奇事君

西汉中阳漏壶

多级漏壶

“滴漏”计时摆脱日光依赖

日晷不仅能测量一天中的时刻,还能测定四季,在古代应用很广。但它有一个明显的缺陷,就是只能在出太阳的白天使用。可是,夜间和阴雨天怎么办呢?

利用滴漏或刻漏计量时间,是古代人类想出的共同办法。我国远在春秋以前就创造了刻漏,古书记载:“漏刻之作,肇于黄帝之日,宣乎夏商之代。”在古巴比伦和古埃及,大约两千多年以前也出现单式漏壶。他们是在每天日落时把水注入容器,水流完了,看守者就向附近居民报告时辰,然后重新灌水。

沉箭漏十分古老,也较为简单。它只有单壶,壶的下部有流管,壶中有一直立的浮在水面的箭杆,上有刻度,此即刻箭,又称箭尺。使用时,壶中水通过流管不断泄到壶外,箭尺便逐渐下沉,以指示时间。由于是单壶,壶中水位在滴泄过程中会逐渐下降,从而导致流速不均,故应不等距地划分箭尺的刻度:越接近下端,刻度越疏;越接近上端,刻度越密,这样才能够表示相等的时间间隔。

浮箭漏的出现晚于沉箭漏,而性能优于前者。它由供水的漏壶、受水并放置箭尺的箭壶两部分组成。使用时,漏壶的水通过流管不断泄入箭壶,箭尺便随箭壶水位的升高而逐渐上浮。由于箭尺不放在漏壶中,故可以采取措施来保持漏壶水位的稳定,从而导致流量的稳定。而箭尺的刻度也因此可以均匀划分,并实现无间断的长时段计时。

多级补偿式浮箭漏的出现更迟,结构也略复杂。它的漏壶有上下两级,当下级漏壶向箭壶供水时,上级漏壶则为下级漏壶补水,从而提高了漏壶水位的稳定度和计时的准确度。较高级的浮箭漏可以有数个补偿壶,多级供水,进一步保证流量的稳定。

漏刻计时必须经常与天文测时比对,以确定计时的起点和时间单位。漏刻计时,同天文日晷测影和恒星位置观测相结合组成我国古代一套完整的计时系统。漏刻在中国使用了很长时期,一直到清乾隆时期西方钟表传入中国。

滴漏解决了夜间计时问题,也可以从一个地方搬到另一个地方,应用很普遍。但它也有很多明显的缺点:壶的容量有限,需要不断加水;水的流速与压力有关,“满则速,浅则迟”,增加了计时误差。另外,水的清洁程度也影响流速,而且在冬天可能还会冻结。

惠更斯的摆钟

“摆”的等时性原理造就了机械钟

欧洲人大约在13世纪发明了机械钟。从原理上说,水钟是通过水从孔眼中漏出来计时,而机械钟是由一个不断重复的机械运动来计时。早期机械钟的钟速取决于驱动轮,而驱动轮又受到动力机构中摩擦力变化的影响,因此精度很低,每天要差一刻钟以上。

对改进早期机械钟做出重大贡献的,是意大利科学家伽利略。他发现了摆的等时性原理。关于这一点,有一则广泛流传的传说。

据说,伽利略在上中学的时候,有一天去比萨教堂做礼拜。微风吹来,使挂在天花板上的大吊灯来回摆动。伽利略注意到,链条一般长的两盏青铜吊灯,来回摆动的时间好像一样长。他发现,摆的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,摆动一周的时间相等。

这则传说来自伽利略的一个学生,也是他的传记作者。但事实上,伽利略想到用摆控制时钟时,他已是一位老人,而且近乎双目失明。

伽利略直到1642年去世之前并没有去制造一个摆钟。倒是荷兰科学家惠更斯利用了这个原理,在1656年制成了第一台摆钟。这台摆钟一天的准确度是10秒。这是对机械钟的一个巨大改进。

摆的引入是计时历史上的一个巨大进步。单摆的摆动不需要其它装置驱动,而主要靠重力驱动,这样就可以大大提高时钟的精确度。

早期的摆钟往往体型很大,有没有可能利用摆的原理,制造出便于携带的钟表?到了l902年,经过人们的不断努力,第一只机械手表问世了,人类的计时工具向小型化迈出了决定性的一步。打开手表的后盖,我们一下就能看到里面有一个带有像头发丝一样细的盘状小弹簧的轮子,它不停地有节律地摆动着,这正是手表的心脏——游丝摆轮系统。我们称它为手表的心脏,是因为手表的走时精度主要由它来决定,它也是一种具有等时性的机械摆。

石英钟、原子钟——利用物质内部振荡计时

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