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摆钟的发明对近代科技的推动
时间:04-05-2017  浏览:294

  摆钟的发明应当追溯到伽利略对摆的等时性的研究。伽利略(1564-1642)是研究摆的运动的第一人。他在17岁时,作为比萨大学一年级的学生,对摆的振动发生了兴趣,经过反复实验得到了摆动周期与摆长的平方根成正比的结论,从而在理论上为钟表的核心装置奠定了理论基础。这标志着一个新时代的开始。伽利略又是精确研究动力学的第一人,他对自由落体也和对摆的研究一样,同样标志着人类对动力学研究的开始。

摆钟的发明

  1641年,伽利略建议利用摆的等时性制造钟。但是他未能完成,一年后便逝世了。于是制造摆钟的任务便历史性地由荷兰学者惠更斯(1629-1695)担当了。

  1657年,年仅27岁由于发现土星光环而知名的年轻学者惠更斯完成了摆钟的设计。同年,荷兰的钟表匠制成了首架摆钟。次年,惠更斯出版了他的专著《摆钟》。在这本书中,惠更斯不仅详细描述了摆钟的机构,更重要的是发表了一系列关于单摆与动力学的重要研究结果。例如,惠更斯系统地研究了圆周运动,引进了向心力和向心加速度的概念。他在理论上论证了单摆的等时性并给出了其周期与摆长和重力加速度关系的公式。随后,惠更斯又发现在大摆动时单摆的周期不再是常数,并给出了在大摆动时也有等周期的摆线理论。所以,我们可以毫不夸张地说,惠更斯在动力学研究上是伽利略的直接继承人。

  摆钟的发明对钟表精度的改进是非常了不起的。在此之前,最好的钟一昼夜误差大约15分钟,而当时最好的摆钟可以调整到一昼夜误差不大于10秒。至此我们才可以说,我们确实有了研究地球上物体运动的精确计时装置。

  谈到钟表的改进,还应当提到一位力学家,即英国学者胡克(1635-1703)。他于1676年发表了对于弹簧的研究结果,后人称之为胡克定律,即弹簧的伸长与外力成正比关系。胡克对弹簧研究的开创性的工作,使人们对弹簧了解得越来越多。随之而来的是出现了两项改进:一项是弹簧发条贮能器的改进,另一项是弹簧(或游丝)摆轮的发明。1674年惠更斯制成基于弹簧摆轮的钟表。有了这两项改进,钟表可以造得更为轻巧,例如,可以在颠簸环境下工作的钟和可以随身携带的怀表以及手表的出现。

  1707年,英国海军舰队发生了一次惨祸,有三只船失事,超过2000人死亡。原因是舰队的位置出了差错。1714年英国国会悬赏二万英镑:谁要是能够找到在海中精确测定经度的方法,他就可以得到这笔奖金。条件是到达西印度的6个星期的航行后,误差不得大于30英里。实际上,当时天文观测仪器已经可以十分精确地测定天上星球的位置了。对于船舶所在的纬度可以直接由观测星球得到。对于所在地的经度,由于星球在天上随时间在均匀地运动,所以问题归结于能否制造一架精确的可以携带的钟。这种钟称为天文钟。

  技高一筹的钟表匠哈里森(1693-1776)于1761年以他改进的钟从伦敦到牙买加的9星期的航海旅程中时钟仅差5秒,从而赢得了国会的悬赏。

  18世纪时,欧洲钟表进入了市场,有了从教堂、航海、家庭摆设到个人佩戴等各式各样的钟表。之后钟表做得越来越精巧,可以戴在手腕上的手表也出现了。

  迄今200多年间,钟表用于测量各种物理量。测量声速、光速、各种振动频率、周期、各种物体的运动以及体育运动。此外它还广泛地用于航海、航空,各门学科和各门技术的发展无不得益于钟表的帮助。

  从另一角度讲,钟表的发展和改进可以说揭开了现代技术的序幕。由于对于它的需求,需要加工大量的钟表另配件,于是产生了现代车床和现代金属加工技术。另一方面,钟表发展又为欧洲的现代技术发展培训了人才。蒸汽机的发明者英国人瓦特(1736-1819)、纺织机的发明者英国人阿克赖特(1732-1792)、以蒸汽机为动力的轮船的发明者美国人富尔顿(1765-1848)等,他们青少年时代都曾经当过修表学徒或制作匠。

  有一种流行的观点是很有道理的,即认为欧洲的近代科学技术的起源是古希腊的思辨传统与欧洲的手工业传统相结合的产物。前者是以达·芬奇、伽利略、惠更斯与牛顿的动力学发展为代表,而后者便是以钟表工业的发展所培养起的一代新技术人才。

  现如今,尽管摆钟被电子表取代了,不过对在电子表中的震荡器认知,还是起源于对单摆知识的拓宽。可以说它保留和继承和拓广了关于摆钟的理论和技术。


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