机械钟擒纵机构为什么既放行齿轮又推动摆
机械钟擒纵机构把摆的周期运动变成齿轮可以计数的前进,同时还要把少量能量送回摆。只说它是“卡住齿轮的零件”,会遗漏后一项作用;只说它推动摆,又解释不了齿轮为什么不是连续滑过。美国国家标准与技术研究院对摆钟的简化说明,正是把这两个动作放在同一条计时链上理解。
摆提供重复出现的时间间隔。在摆幅较小时,摆完成一次往返所需的周期与摆长的平方根成正比,并且不随摆幅和摆锤质量改变。这里的小摆幅条件不能删掉,也不能把这段关系外推成任何摆动状态都完全相同。NIST 还给出一个近似例子:周期为一秒的摆长约为零点二五米。这个数值用于说明周期和摆长的关系,不是根据旧钟外观直接校准机芯的操作公式。
| 环节 | 资料说明的作用 | 不能混同的部分 |
|---|---|---|
| 摆 | 提供周期性节拍;小摆幅下周期与摆长平方根成正比 | 摆本身不会直接驱动时针分针显示 |
| 擒纵 | 摆每完成一次摆动时让特殊齿轮前进一齿,并轻推摆以补偿摩擦损失 | 逐齿释放与补充能量是两个相关但不同的作用 |
| 齿轮传动 | 把擒纵轮的前进传给表盘指针,并与摆长共同设计为时、分、秒单位 | 不能只凭擒纵轮齿数解释全部显示比例 |
| 当前时刻设置 | 把已经计数的时间间隔对应到某个起始时刻 | 振荡器定义间隔不等于自动知道当前时刻 |
擒纵把重复摆动接到轮系上。NIST 对摆钟的说明是,摆每完成一次摆动,特殊的擒纵轮前进一齿。逐齿前进让连续摆动转为可累计的机械步进,但这只是功能关系的概括,不表示各种机械钟都使用同一形状的轮齿、叉瓦或释放动作。观察一只旧钟时,能够据此辨认“控制放行”的任务,却不能仅凭这张简图确定具体擒纵类型。
摆在实际机构中会因摩擦损失能量,擒纵机构因而还会在每次摆动时给摆一个轻微推动,用来补偿这部分损失。逐齿释放和轻推发生在相互配合的过程中,承担的任务却不同:前者让轮系按节拍前进,后者维持摆动所需的能量交换。这里只解释工作原理,不据此给出拆卸、加油或改变机构位置的做法。
擒纵轮的前进通过适当的齿轮组合传给钟面指针。摆长和齿轮组需要共同设计,指针才会按通常的时、分、秒单位显示累计结果,因此擒纵轮每走一齿并不直接等同于时针移动一个固定刻度。摆提供节拍,擒纵控制放行并补能,轮系负责传递比例,这三个环节不能互相替代。
即便各环节能稳定累计间隔,钟也不会因此自动知道现在是几点。振荡器给出的是可计数的时间间隔;显示当前时刻,还要把累计间隔关联到一个起始时刻。这个区别解释了机械钟为什么既有持续走时的问题,也有设定时刻的问题。机械钟擒纵机构位于两者之间的计数链条中,它对节拍的放行与维持很关键,却不单独承担全部时间显示。