第四节 单摆

摆钟的振动

　　为什么时钟必须利用钟摆来计时呢？如果它所需要的只是摆动，那翘翘板可不可以用呢？答案是否定的。

　　根据物理学家们作振动物体的动态调查发现：物体左右摆动时，如果幅度一致，回复原位的时间也是一致的。这就是所谓的振动周期。凡是任何一种振动第二次，第十次，甚至第一百次，均和第一次的振动所需的时间相同。

　　这就是为什么要在钟上装钟摆的主要原因，因为它能控制时钟回转的速度啊！

　　这种带动时钟的原动力就是垂在下方的砝码，吊着砝码的链子通过位于主轴的圆柱体而移动着，于是这种运动就通过两个齿轮而传达到分针和时针。

　　在时钟的机械构造中，除了以上所说的外，好像就没有其他的重要零件了。当砝码落到地面时，时钟的针就会像自行车的轮弧那样，不断地回转！并且发出嘀嗒嘀嗒的声音……如果我们拉住这条铁链子，砝码就别降到相当于铁链子的长度而结束它的运动。

　　相信谁也不要一个会在短暂的时间内走完一天的刻度然后就停下来的时钟。所以时针进退的缓急也需要有一种调整轮，用它来和摆锤相互抵制。摆锤就是一根长形棒子前端悬挂一个坠子的东西，若把坠子压住，它还是会滴滴答答地响个没完。

　　和摆锤搭配阻挡器也会振动，这个阻挡器有两只手会轮流伸进入调整轮中间，如果摆锤向右边摆动的幅度太大的话，阻挡器左边的手就会插入调整轮的锯齿里停止它的动作。当摆锤又回复原来位置时，阻挡器又会回复调整轮的动作。但是调整轮如果再前进大约一个锯齿的距离，阻挡器又会停止它的动作了，如果摆锤再向右边摆动的话，调整轮于是就会向前推进一个锯齿的距离，这时阻挡器就会停下来。

　　时钟就这样一格一格地往前进，阻挡它不要走得太快，就是摆锤的责任了。由于它不断把棒子插入锯齿中间，所以能让时钟的速度得到适当的控制，在前面的实验中我们已得到有关摆锤振动时间会一致的概念了，所以我们知道这个时钟所走的每一步所需的时间也会完全相同。这也是摆锤能准确地控制时钟前进速度的原理。

　　怀表和手表的构造原理大致相同，不过它用的不是摆锤而是发条，这是一种很精细的回旋式发条，这个发条会滴答滴答地伸缩。这种振动又叫扭曲振动，由于它的周期也是一定的，因此，时针也可准确地前进了。

钟摆的发现

　　1583年的一天，伽利略早早来到教堂作礼拜。此时，教堂的大门刚刚打开，当伽利略随着三三两两的人群走入大厅时，第一束晨光才从天窗中射入高深莫测的教堂，因此，整个空间还是浑黑一片，礼拜还没有开始，于是他摸黑坐了下来，默默地开始了虔诚的祈祷。

　　忽然，伽利略觉得眼前渐渐明亮起来，地上桌椅的影子随着本身清晰度的增加在不断地晃动。他下意识地抬起头，原来，一个勤杂工在点燃教堂里的豪华的大吊灯之后，没有把它放稳，因此，大吊灯开始不停地摇摆。

　　原来如此。伽利略正准备继续他的祈祷，这时，他猛然意识到，大吊灯摆动的周期似乎总是恒定的，于是他马上停止了祈祷，开始进一步观察。当时由于没有一种精确的计时器，人们想测得一段精确的时间，就只能通过数着自己的脉搏来计时，当然，这种方法是很不准确的，因为不仅不同人的心率不同，而且即使是同一个人，在不同的条件下心率也是不同的。尽管如此，这在当时也还是人们普遍应用的计时方法。经过一段时间的按脉计时，伽利略发现，吊灯摆动的幅度虽然在逐渐减小，但周期始终是相等的。他为这一伟大的发现而兴奋，立即跑家中。

　　回到家里，他先是爬上了屋顶拴了一根长长的绳子吊在地上，然后，他把一切能找到的东西，诸如茶缸、书籍、枕头、椅子都依次拴在绳子上摆动计时。经过几天的观察发现，不管绳子吊着的物体多重，也不管振动的幅度多大，只要摆长一定，周期始终是相等的，这就是单摆的“等时性”。此时伽利略年仅18岁。

　　在这以后的一个时期里，伽利略决定运用这一原理研制一种精确的“摆钟”。经过几年的研究，他绘制了摆钟的图纸。但是由于各项科研工作的繁忙，他没来得及制做就与世长辞了。

　　几十年后，荷兰著名物理学家惠更新在伽利略的基础上又经历了多年的工作，终于在1656年实现了伽利略的遗愿，制成了第一架摆钟。

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