摆钟：小发明揭开现代技术的大序幕

如果你问现在几点了？我相信你会很快通过屏幕前的各种电子设备给出准确的答案。事实上，电子计时装置的广泛使用还不到100年。在过去的300年里，计时领域的主导时钟是钟摆钟。

时钟设置(网络图)

1581年，意大利比萨大学实验室的一名大一新生看着他面前振动的钟摆，陷入了沉思。这个学生就是伽利略，未来的“现代科学之父”，当时他只有17岁。不久前，伽利略去比萨大教堂做礼拜，注意到吊灯随风摆动。他发现无论吊灯的摆动有多大，摆动的时间似乎都是一样的！

伽利略肖像(网络图)

回到学校后，伽利略发现了铜球和绳子来模拟吊灯的摆动。经过反复实验，他得出结论，摆的小摆动周期与摆长的平方根成正比，与摆动幅度无关。这就是著名的“钟摆等时原理”。

然而，伽利略一生爱好广泛，涉足许多科学领域。虽然他是第一个研究钟摆运动问题的人，但他没有在这个问题上花更多的时间。直到60年后，他才开始利用钟摆的等时原理制造更精确的时钟。然而，时间流逝，第二年伽利略还没来得及造钟就去世了。

单摆运动模型(网络图)[注:此图为动态图]

那时，人们使用的最佳计时装置每天会产生大约15分钟的误差，这无疑是长期在海上航行的人们的一大麻烦，因为时间误差相当于每秒半海里的定位误差。因此，人们非常渴望精确计时工具，但随着一代科学大师伽利略的离开，精确时钟的发展不得不暂时停止。

直到15年后，在欧洲大陆另一边的荷兰，28岁的惠更斯随着精确时钟的出现带来了转机。惠更斯于1629年出生于荷兰海牙。他是牛顿时代的伟大科学家。从孩提时代起，他就表现出不同于常人的动手能力。他非常善于把理论和实践结合起来解决实际问题。13岁时，他自己做了一台车床。

惠更斯肖像(欧洲航天局，官方网站)

惠更斯当时对天文学非常着迷。在长期的天文观测中，他越来越意识到精确计时的重要性，并想制造一种自制的精确计时仪器。慧眼识珠的惠更斯很快注意到伽利略的“钟摆等时原理”，并画出了钟摆钟的设计。在钟表匠的帮助下，经过多次尝试，惠更斯于1657年制造了世界上第一个钟摆。

惠更斯时钟结构图(网络图)

惠更斯钟摆由不同形状和尺寸的齿轮组成。它使用重锤作为单摆的钟摆，每天的计时误差小于10秒，大大提高了时钟的精度。也许你会问，为什么惠更斯钟更准确？

别担心，惠更斯已经告诉我们了！他在1658年和1673年分别写了两本书《钟表学》和《钟表振荡器》，详细介绍了钟表的原理、制造过程、摆动过程和特点。事实证明，他不仅采用了伽利略摆的等时原理，而且根据自己的研究成果扩展了伽利略的理论。例如，他首次引入了“摆动中心”的概念，并提出了一个关于离心力的命题。惠更斯还从理论上推导和论证了摆周期与摆长和重力加速度之间的关系。此外，惠更斯制造的钟摆可以调节，这也提高了计时的准确性。正是科学的理论、精巧的设计和灵巧的双手，惠更斯成功地研制出了第一个钟摆。

荷兰阿姆斯特丹国家博物馆展出的惠更斯钟(网络图)

尽管第一个钟摆钟很成功，但它非常精致。只有放置稳定，它才能正常工作，不能承受船上的颠簸。因此，惠更斯对第一个钟摆不满意。他尝试了各种方法来克服它的缺点，但效果并不理想。杰出的科学家从不止步，他们总能根据最新的科学研究成果推进他们的研究，尤其是惠更斯。

学过高中物理的小伙伴必须熟悉胡克定律，也就是说，弹簧的伸长与其弹性成正比。这一理论是英国物理学家胡克在20世纪70年代提出的机械弹性理论中的一个基本定律。自从胡克定律提出以来，许多与弹簧有关的新发明已经出现。惠更斯先生喜欢做事，自然对这些新发明很感兴趣。

1674年，受各种新发明的启发，惠更斯发明了螺旋摆轮。基于这项新发明，惠更斯对平衡钟进行了大胆的改进。他利用弹簧摆轮往复运动的同步性，用弹簧摆轮制造了一个钟表。因为弹簧摆轮可以做得很小，所以它可以用来代替摆钟的大重量来做更小的钟。从那以后，轻便手表和怀表出现了。后来，英国钟表匠哈里森不懈努力，终于研制出一种能适应湍流等恶劣环境的钟摆钟(关于这一点，请参阅《帆船铃:工匠精神的完美诠释》。这只钟终于摆脱了它的魅力，开始实用了。

惠更斯发明了游丝摆轮(科学网)

后来，钟表发展迅速，各种各样的钟表相继出现。它们被用于导航、实验计时、家居装饰等。由于钟表中含有大量的精密零件，它们的广泛使用极大地推动了加工制造业的发展，从而揭开了现代人类技术的序幕。钟表业的蓬勃发展催生了现代车床和现代金属加工技术，促进了航海、物理、天文等诸多学科和技术的发展。此外，值得一提的是，钟表业还造就了一批机械技术精湛的制表师，为现代西方技术的发展提供了大量优秀人才，包括改进蒸汽机的瓦特、发明蒸汽动力船的富尔顿和发明蒸汽机车的斯蒂芬森。

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