第十一章 钟摆循环

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茅庚目前只想到时钟,在这个时代做时钟条件已很成熟,无须担心不能完成时钟这个题目。

这年头弹簧不知道有没有,发条应该是没有的,那蓄能装置就用悬挂的重锤好了,擒纵机构就用最简单的单摆式擒纵机构。事实上,1350年出现的时钟就是重锤单摆式时钟。

这其中,单摆式擒纵机构是这种时钟的核心机构,也是最精巧的部分,不过自己明白其中的原理,完全可以通过画图设计、图上模拟,以及通过反复试验搞出实用的擒纵机构。

单摆原理是后世每一个高中生都学过的,实在是最基本的物理原理。茅庚前世在八十年代还经常见到钟摆式座钟或者挂钟,反正上中学的时候讲到单摆老师就以钟摆式时钟为例,老师在台上讲:真空中单摆会一直循环往复地摆下去,每一次摆动的时间都绝对相等。

当然不加外力可以永远摆下去的单摆只是存在理想中,因为现实既不是真空,也不可能是零摩擦。在这一点上,物理老师分明是揭示过理想和现实是有很大的差距的,但是作为学生,前世的茅庚,并没有因此认识到现实的严酷。直到理想在现实中一次次碰壁,茅庚这才感觉人生真的便如单摆,摆过来摆过去的就是这么点意义——区别只在于有人摆得高有人摆得低而已。可是,现实中人生这个摆,你还得不断克服无所不在的阻力,才能继续摆下去。

好吧！钟摆式时钟的原理就那么简单！所谓钟摆式擒纵机构,最重要的就是两个构件,一个是轮缘上带有一圈等距排列的的尖齿的擒纵轮,一个就是带左右钩齿的擒纵钩。简单地说吧,储能装置——最原始的就是不断下降释放势能的重锤——将驱动力传到擒纵轮,擒纵轮获得驱动力之后,第一时间就要转动,但是由钟摆带动的擒纵钩通过左右两个钩齿给擒纵轮的转动设定了一个限制,只能转一格停一下,停一下再转一次。

简单而言,就是钟摆每摆动一次,右侧的钩齿就释放一格擒纵轮尖齿,让轮子转动一格——这叫纵——可以理解为踩油门的意思,转动一格之后,左侧的钩齿随即卡住擒纵轮的另一个尖齿使得擒纵轮停下——这叫擒——可以理解为踩刹车的意思。直到钟摆再摆一次,再又重复一纵一擒,如此循环往复。

反正,在擒纵钩一纵一擒之下,擒纵轮始终不能连续旋转,而只能是间歇性转动,钟摆每摆一次,擒纵轮转动一格。理论上钟摆每摆一个来回时间都是一致的,因此理论上每次转动的间歇时间也是相等的,于是便具备了计时功能。

开过自动波小车的人可以想象一下,你只要挂上自动档,不加油门小车也有怠速,不踩刹车小车就会前进。然后你间歇性的放开一下刹车,再踩一下刹车,这样一放一刹,体验一下一纵一擒的感觉,你大约就能体会机械钟表的擒纵机构是怎么回事了。

单摆式时钟利用的是单摆往复摆动时间相等的原理,来实现每一次擒纵时间耗时相等。不过单摆机构所占空间不小,使得这种时钟无法实现小型化。进化后的机械钟表,则用上了更为精巧的游丝式擒纵机构,这一来体积便可以大幅缩小。

单摆式擒纵机构另一个设计奥妙处,就是擒纵轮还得通过擒纵轮尖齿与擒纵钩钩齿的碰撞将驱动力传给钟摆,使得钟摆能够始终维持摆幅,循环才能一直继续。

只要这个擒纵机构搞出来,其他就都是一些辅助机构,什么齿轮棘轮之类的,也就不再有多大难度,对于茅庚来说,那些只是多一点工作量而已。

这两天,茅庚就开始根据零散的记忆在画图。事实上,只有原理记得不差,实用的钟摆擒纵机构的构造是无法靠记忆复原的,只有根据原理重新设计一遍。设计当然不轻松,要在图上模拟运动轨迹,还有钩齿和尖齿的相互作用力分析,以此设计出运动轨迹和相互作用力均能满足钟摆擒纵要求的结构,实在不是一时半时就能完成的。

相对而言,苏颂搞的那个水运仪像台在设计上就容易实现多了,水运仪像台号称是史上第一个使用擒纵机构计时的设备,传说中,水运仪一擒一纵的时间间隔是通过注满固定容积的水桶而确定的。只要给水运仪水桶注水的水源其水面高度不发生改变,注满水桶的时间就是个恒值,注满一桶水之后,带动水运仪计时机构做一次间歇运动——这是“纵”,然后有相应的刹车机构使之及时停住——这是“擒”,这个注满的水桶随即倒空,就这样完成一个擒纵周期。等下一个水桶再注满水,又开始下一个擒纵周期,如此循环往复,以实现计时功能。

这是在宋时,苏颂的智慧可谓独步一时,设计制造出那个载入史册的水运仪象台,足以让后世仰望。

苏颂是庆历二年的进士,历任刑部尚书、吏部尚书,晚年入阁拜相,在王老夫子眼中那是神一样的存在,苏颂关于水运仪象台的《新仪象法要》那更是王老夫子一介人心目中的神作。然而,茅家小子轻飘飘一句话,就说苏颂那水运仪象台失之于体积庞大,根据师命更是号称要在一年之内造一个书匣大小的计时机关。在这艘船上当然不存在什么保密性,这个带有震撼性的重磅消息随即就传到了王老夫子兄弟那里。

兄弟两个于是私下里小声合计起来。

王老夫子说道:

“你觉得这茅家小哥是不是有些过于狂妄?像超越有如天人般的苏颂这种大话,他都居然敢说！”

王先生心中揣揣,自己仅仅凭着茅家和文家小子的一面之言,就信了人家,巴巴的去往新化。心中的担心却是一路都没有放下,闻言心下更为犹疑,故而道:

“难道,这茅庚根本就是一个骗子！”

王老先生却又摇头,说道:

“像,又不像！说像骗子,那是因为苏颂当年费时三年多时间,这才造出水运仪象台,茅家小子竟然吹嘘说要在一年之内造出超越水运仪象台的神器！这事绝无可能。说不像骗子,那是因为他教沁言沁吟唱李煜的《虞美人》,自己唱走调,还要说学的人走调,那必是学自他人无疑,可惜此人悟性太差,学了个非驴非马。以此事观之,茅家小子有一个高明的师尊当属不假。”