为什么上了发条的钟表能准确计时

测量时间是生活的需要。时间长了还是短了，光凭感觉是不准确的。客观上需要一把“尺子”来测量时间。比如地球自转的速度变化很小，要求不高时可以认为是恒定不变的。将地球自转一周的时间作为测量单位就是一个昼夜。再要对时间细分，就要寻找更短些的恒定运动作为测量标准。早在欧洲文艺复兴时期的16世纪，意大利的科学大师伽利略偶然注意到，即使教堂里来回摆动的吊灯的摆动幅度不断变小，它每次摆动的时间却总是恒定不变的。这个发现很重要，它提供了一种测量时间的简易方法。只要设法用单摆带动分针和时针转动，就能制成准确报时的机械钟。

机械钟

上发条的闹钟

控制能量缓慢释放的擒纵机构

但是要使这种利用摆锤的机械钟成为现实，还必须克服一个巨大的困难。摆锤在摆动时总不可避免地受到各种阻力的干扰，比如轴承里的摩擦力和气流的阻力。由于这些阻力的存在，摆锤的摆动幅度会愈来愈小，最后幅度减小到零就完全停摆了。为了解决这个问题，聪明的工匠发明了“擒纵机构”。这个机构由一个擒纵轮和一个擒纵叉组成。擒纵轮和重锤连接，擒纵叉和摆锤连接。将重锤提升到高处后放手，重锤就在重力的作用下缓缓下落，同时带动擒纵轮对擒纵叉产生冲击。擒纵机构的巧妙之处在于，无论摆锤朝哪个方向运动，冲击方向总是和运动方向一致。摆锤每摆动一次，因阻力干扰而损失的能量，都能从擒纵轮的冲击而得到补充，摆锤的摆动幅度也就不会衰减了。早在宋代，这种巧妙的擒纵机构就已在水力驱动的“水运仪象台”中得到应用。1656年荷兰科学家惠更斯设计出了第一座装有擒纵机构的摆钟。

荷兰科学家惠更斯

物理学把作用在物体上的力和所引起物体移动距离的乘积称为“力对物体所做的功”。如果物体的移动方向和力的方向一致，所做的功就是“正功”。正功作用的效果是增加物体的能量。如果两者方向相反就是做“负功”，它的作用效果是减少物体的能量。在摆锤的运动过程里，摩擦力和摆锤的运动方向相反，而擒纵机构的冲击和摆锤的运动方向一致。当摩擦力的负功正好得到擒纵机构正功的弥补时，摆锤的能量就保持不变，摆钟就能不停地摆动下去。

被摩擦力损耗掉的摆锤能量并不是凭空消失，而是以热量形式转换为另一种能量。擒纵机构补充的能量也不是凭空产生，而是来自重锤的下降。当重锤下降到最低点，就要用人力将它拉上去，摆钟才能继续运转。补充能量的方法有很多，利用拧紧的钢发条代替提升重锤是更常用的方法。在客观世界里，能量不能凭空创造或凭空消灭，只能以不同的形式在不同物体之间转换。这就是自然界中普遍存在的能量守恒定律。（刘延柱）