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专题导读

机械钟擒纵机构为什么既放行齿轮又推动摆

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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、擒纵轮、齿轮组和钟表指针依次相连的工作关系示意
摆钟计时链条示意:摆提供周期节拍,擒纵轮逐齿前进并向摆补充少量能量,齿轮组再把前进量传给表盘指针。

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
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
摆钟显示时间依赖振荡、擒纵和齿轮传动的连续配合,各部件承担的任务不同。

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。