简谈钟表的发展与原理.doc

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1、简谈钟表的发展与原理简谈钟表的发展与原理作者:李淑娟工作单位:陕师人数学系数学与应川数学专业摘要:钟表经过一千多年的发展,逐渐向微电子技术与精密机械相结合的石英化发展,机械钟表由原动系、传动系、擒纵调速器、指针系和上条拨针系等部分组成。机械钟表利用发条作为动力的原动系,经过一组齿轮组成的传动系來推动擒纵调速器丁作;再由擒纵调速器反过來控制传动系的转速;传动系在推动擒纵调速器的同时还带动指针机构,传动系的转速受控于擒纵调速器,所以指针能按一定的规律在表盘上指示时刻;上条拨针系是上紧发条或拨动指针的机件。关键词:发展史原理原动传动

2、齿轮钟表是一种计时工具,在现代汉语中一般有两层含义,一是各类钟和表的总称,另一个是专指体积较人的表,尤指机械结构的佇钟摆的表。钟表技术是计时技术的一个重要发展阶段,是现代机械技术和计算机技术的技术源头之一。钟表分类人致如下:有摆钟表:是由阿拉伯工匠最早设计出來的。其工作原理是等速运动原理。机械钟表:机械钟表的动力系统是发条,计时单位是小时、分钟、秒,分别采用了12进位制和60进位制。(一)钟表发展史公元1300年以前,人类主要是利用天文现象和流动物质的连续运动來计时。例如,H畧是利川日影的方位计时;漏壶和沙漏是利川水流和沙流的

3、流量计时。东汉张衡制造漏水转浑天仪,用齿轮系统把浑象和计时漏壶联结起来,漏壶滴水推动浑象均匀地旋转,一天刚好转一周,这是最早出现的机械钟。北宋元祜三年(1088)苏颂和韩公廉等创制水运仪彖台,U运用了擒纵机构。1350年,意人利的丹蒂制造出第一台结构简单的机械打点塔钟,日差为15〜30分钟,指示机构只有时针:1500〜1510年,徳国的亨莱思首先用钢发条代替重锤,创造了用冕状轮擒纵机构的小型机械钟:1582年前后,意人利的伽利略发明了重力摆;1657年,荷兰的恵更斯把重力摆引入机械钟,创立了摆钟。惠更斯又将摆轮游丝组成的调速器

4、应川在可携带的钟表上;1675年,英国的克莱门特川叉瓦装置制成最简单的锚式擒纵机构,这种机构一玄沿用在简便摆锤武挂钟小。1695年,英国的汤姆平发明工字轮擒纵机构;1715年,英国的格雷厄姆又发明了静英国的马奇发明自由锚式擒纵机构,即现代叉瓦式擒纵机构的前身;1728〜1759年,英国的哈里森制造岀高精度的标准航海钟;1775〜1780年,英国的阿诺德创造出精密表用擒纵机构。18〜19批纪,钟表制造业已逐步实现工业化生产,并达到相当高的水平。20世纪,1660年英国的胡克发明游丝,并用后退式擒纵机构代替了冕状轮擒纵机构:167

5、3年,止式擒纵机构,弥补了后退式擒纵机构的不足,为发展精密机械钟表打下了基础:1765年,随着电子工业的迅速发展,电池驱动钟、交流电钟、电机械表、指针式石英电子钟表、数字武石英电子钟表相继问世,钟表的H差已小于0.5秒,钟表进入了微电子技术与精密机械相结合的石英化新时期图123图4机械钟是图1所呦的重锤式机械钟,这也是欧洲最早的一•种依靠擒纵装置进行守时的计时器。图2画出了这种机械钟主要T作机构的简化图。这种钟以一个重锤提供驱动力,悬挂重锤的绳子缠绕在一根轴上,重锤下落,带动轴转动,并将转动传递给守时机构。守时机构包括一套擒纵

6、装置和横摆,擒纵装置主要由软轮和带软爪的心轴组成,心轴上方与横摆相连。当棘轮在重锤的带动下转动,上方的轮齿推开心轴上部的棘爪,使心轴转过一个角度,而这样刚好乂使心轴下部的棘爪转过來描在下方轮齿的去路上,棘轮继续转动将它推开后,心轴就转冋原來的位置,完成了一次摆动。心轴每摆动一-次,软轮都转过一个相同的角度,而这种摆动的频率通过连在心轴上的横摆得到控制,从而具有等时性(如同单摆的等时性一样,这种等时性是可以用经典力学证明的),这样,将棘轮的运动通过屮轴传递给表盘上的指针,指针就可以匀速转动了。此外,山于横摆摆动的频率与横摆的转动

7、惯量和软轮施加给它的力量人小有关,而后者乂最终由重锤所受的重力决定,不易调节,因此为方便对钟表运转速度进行调试,横摆两端的呢重物被设计成可以移动的,向外移则横摆的转动惯暈增人,钟速变慢,向内移则转动惯量减小,钟速变快。这种钟而这个推力是与横摆的摆动频率相关的,当重锤提供的动力经过数重机械结构最终传递到横摆以的缺点在于,重锤提供的驱动力在维持主要机械部分运转的同时,也是推动横摆摆动的唯一•力量,后,其间的误差已经积累得非常人了。因此这种钟走得“很不准确”。伽利略发现单摆的等时性以后,建议研制利川单摆作为核心守时装置的计时器,这一

8、提议在恵更斯手屮得到实现。图3即是惠史斯摆钟的基木结构。钟的机械动力仍由重锤提供,但擒纵器的摆动频率由单摆单摆摆动时带动L形杆转动,从而把摆动的频率传递给擒纵器。摆钟的优越性在于,单摆的频率与推动它的初始力暈无关,而只与重力和摆长有关,这样守时机构就真的不再受到动力机构的干扰

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