機械鐘

公元前古希臘人制造了用30至70個齒輪系統組成的機械倒計時器 ^[1]  ，應用於奧林匹克運動會中的比賽計時。這台儀器被稱為“安提凱希拉儀”，由幾十個彼此咬合的銅質齒輪和多個刻度盤構成。 ^[1] 

東方記載北宋（十一世紀）時期的蘇頌製造過水運儀象台。北宋時期製作齒輪運轉模仿日月星辰週期的水運儀象台，在1086年建造於北宋開封，由北宋天文學家、天文機械製造家、藥物學家蘇頌所創建的“水運儀象台”，主要是用滴水來帶動機械鐘運作，後世機械鐘的關鍵部件——擒縱器，最早便出現在上面。

13世紀，有個叫維克的德國人給當時的法國皇帝做了一個鐘，歷時八年，極為精美，可謂鬼斧神工。最早傳入我國的歐洲機械鐘是在明朝萬曆年間，是用來專門獻給萬曆皇帝的，萬曆皇帝收到此禮物後，極為欣賞，幾乎日日觀賞，夜夜撫摸。於是，馬上發佈召令，成立專門製作機械鐘的宮廷造辦作坊，專供他和皇親國戚及心腹大臣使用。

德國製造的日冕儀在顯示時間的同時，能顯示太陽的位置和晝夜長短。15世紀在德國紐倫堡，Peter Henlein製造了世界上第一台便攜式計時器，同時發明了鐘錶發條。

為了更加及時的瞭解時間，機械鐘安裝上了鐘面和指針，時間這種始終伴隨着人類社會發展進步的無形標準，第一次有了形象化的描述。沒過多久，又出現了能夠自動報時的機械鐘。1335年公共時鐘的出現，使機械鐘第一次進入人們的日常生活。由於結構複雜，驅動系統十分笨重，機械鐘的體積相當的龐大，根本不可能進入家庭。

機械鐘 圖1(2張)

歐洲最早的重錘式機械鐘是圖1，這也是歐洲最早的一種依靠擒縱裝置進行守時的計時器。圖2畫出了這種機械鐘主要工作機構的簡化圖。這種鍾以一個重錘提供驅動力，懸掛重錘的繩子纏繞在一根軸上，重錘下落，帶動軸轉動，並將轉動傳遞給守時機構。守時機構包括一套擒縱裝置和橫擺，擒縱裝置主要由棘輪和帶棘爪的心軸組成，心軸上方與橫擺相連。當棘輪在重錘的帶動下轉動，上方的輪齒推開心軸上部的棘爪，使心軸轉過一個角度，而這樣剛好又使心軸下部的棘爪轉過來擋在下方輪齒的去路上，棘輪繼續轉動將它推開後，心軸就轉回原來的位置，完成了一次擺動。心軸每擺動一次，棘輪都轉過一個相同的角度，而這種擺動的頻率通過連在心軸上的橫擺得到控制，從而具有等時性（如同單擺的等時性一樣，這種等時性是可以用經典力學證明的），這樣，將棘輪的運動通過中軸傳遞給錶盤上的指針，指針就可以勻速轉動了。此外，由於橫擺擺動的頻率與橫擺的轉動慣量和棘輪施加給它的力量大小有關，而後者又最終由重錘所受的重力決定，不易調節，因此為方便對鐘錶運轉速度進行調試，橫擺兩端的配重物被設計成可以移動的，向外移則橫擺的轉動慣量增大，鐘速變慢，向內移則轉動慣量減小，鐘速變快。這種鐘的缺點在於，重錘提供的驅動力在維持主要機械部分運轉的同時，也是推動橫擺擺動的唯一力量，而這個推力是與橫擺的擺動頻率相關的，當重錘提供的動力經過數重機械結構最終傳遞到橫擺以後，其間的誤差已經積累得非常大了。因此這種鍾走得“很不準確”。伽利略發現單擺的等時性以後，建議研製利用單擺作為核心守時裝置的計時器，這一提議在惠更斯手中得到實現。

圖3即是惠更斯擺鐘的基本結構。鐘的機械動力仍由重錘提供，但擒縱器的擺動頻率由單擺控制。一個與擒縱器心軸連在一起的L形杆伸向單擺，L形杆的杆頭分叉，剛好卡住剛性的擺棍，單擺擺動時帶動L形杆轉動，從而把擺動的頻率傳遞給擒縱器。擺鐘的優越性在於，單擺的頻率與推動它的初始力量無關，而只與重力和擺長有關，這樣守時機構就真的不再受到動力機構的干擾了。之後，惠更斯又發明了一種遊絲—擺輪裝置。遊絲是一個螺旋形的彈簧，連在擺輪上，當擺輪向一個方向轉動，使遊絲發生形變，產生一個力拉動擺輪迴轉，在轉過平衡位置後，遊絲再一次發生形變，又產生一個反向的力，重新把擺輪拉回來。這樣就能維持一種能夠週期性的震動，像橫擺、單擺一樣，用來控制擒縱器的頻率。遊絲—擺輪與單擺一樣獨立於動力機構，其頻率不受其他機械部分影響，而利用遊絲—擺輪製成的鐘表相對於擺鐘的優點主要在於不依靠重力，因此只要設計合理，那麼其在移動中仍可準確走時，也就意味着相對更加便攜。後來英國人哈里森發明的第一台能夠精確運行的航海鍾就採用這種機構的。

到了1887年，愛美、追求時髦的女士們就已經開始佩戴手錶。錶帶取代了懷錶的錶鏈起到固定的作用。隨着20世紀的來臨，人們在生產力水平高速發展的同時，在服飾上，也開始追求一種不同於以往的，更加隨意的風格。在服飾風格改變的同時，原來只有穿着正統的西裝才能佩戴的懷錶就不能滿足需求了，人們需要一種佩戴隨便，沒那麼講究派頭的表。正是在這股“流行風”的帶動下，手錶迅速地佔領了市場。

現存的最古老的一批機械鐘是1290年前後製成的，安放在英國和意大利的修道院，用於安排修道士的日常宗教活動。計時方法採用的是古巴比倫的24小時均等劃分法，靠看鐘人敲鐘報時。1090年歐洲的一本教科書中就提到了水鍾。水鍾靠流速恆定的水流來計時。水鍾時靠週期性的機械運動來計時的機械鐘的鼻祖。最早的鐘面只有小時和刻的刻度，指針也只有一個。北宋蘇頌在完成國家工程——“水運儀象台”後，編寫了有水鐘的粗略創建方法的《新儀像法要》。

隨着人們對計時精度的要求求和技術的提高，分針和秒針被安裝在鐘面上，使機械鐘能更精確地顯示時間。裝有鐘面和指針的機械鐘使人能直觀地瞭解時間。鐘面和指針運用，源於古老的日晷。巨大的鐘面和指針，以及定時敲鐘成為貫徹至今地標準。15世紀，螺旋彈簧的發明和發條裝置的應用使機械鐘擺脱了笨重的重錘，成為小巧精緻的工具。現在的機械鐘錶中普遍使用的遊絲，就是惠更斯在螺旋彈簧的基礎上研究出來的。