| 词条 | 钟表技术史 |
| 释义 | § 钟表技术史 § 正文 钟表是一种计时仪器。钟表技术史就是不断改进计时方法和提高计时精度的历史。它大致可分为：利用天文景象和流动物质的连续运动计时、全部采用机械件的非周期控制计时、周期控制计时3个主要时期。 利用天文景象和流动物质的连续运动计时时期（约 公元前5000～公元1300） 远古时期，人类就以太阳、月亮等周而复始的等速运动来计量时间，过着“日出而作，日入而息”的生活。随着农、牧业的发展，为了较准确地计量时间以安排生产活动，人们遂开始创造计时仪器。最早的计时仪器是利用天文景象来计时的。以后，又出现了各种利用流动物质的连续运动来计时的仪器。 利用天文景象计时阶段 人类最早使用的计时仪器是利用太阳的射影长短和方向来判断时间的。前者称为圭表，用来测量日中时间、定四季和辨方位；后者称为日晷，用来测量时间。二者统称为太阳钟。 约在公元前2000年，巴比伦出现了太阳钟。公元前1300～前1027年，中国殷商时期的甲骨文上，已有使用圭表的记载。《诗经·国风·定之方中》篇有，“定之方中，作于楚宫。揆之以日，作于楚室……”。确切记载使用圭表的时间为公元前659年。 公元前1300年，日晷在埃及和美索不达米亚地区出现。 利用流动物质的连续运动计时阶段 圭表等太阳钟在阴天或夜间就失去效用。为此人们又发明了漏壶和沙漏、油灯钟和蜡烛钟等计时仪器。 漏壶又称水钟。最早的水钟是一个简单的容器，其底部有一小孔，水从小孔流出，人们按其流量计时。印度、埃及、中国和希腊先后制造过各种水钟。埃及最早的水钟约造于公元前1400年。水钟外壁用象形文字刻着埃及的12个月、尼罗河泛滥的时期、播种收获的时期等；内壁刻有与12个月对应的不同长度的12时辰的刻度。中国的《周礼·夏官司马》篇中载有“挚壶氏”，“掌挈壶以令军井，……。及冬，则以火爨鼎水，而沸之，而沃之”。这说明至迟在春秋时期，周王朝已设有专职管理漏壶的官员，且已注意到外界温度对漏壶计时的影响。中国现存最早的一件漏壶出自西汉中期。漏壶呈圆筒形，三蹄足，近底部伸出一细管。壶盖和提梁均开有长方形孔，便于布置刻箭。刻箭立于浮标上，能随漏壶内盛水的增减而升降，从而指示时间。 公元1世纪左右有了沙漏,又称沙钟。它是利用沙从一个容器内通过一个小孔漏到另一个容器来计算时间的。一般用来测量时段，如一刻钟、半小时等。 几乎与沙钟同时出现了油灯钟和蜡烛钟。油灯钟是把时间刻度标在盛油的玻璃器皿侧面，油的水平线因燃烧消耗而下降，据此可看出时间的流逝。蜡烛钟是将时间刻度标在蜡烛的侧面。蜡烛燃烧后逐渐缩短，据此可指示出时间。油灯钟和蜡烛钟统称为火钟。 上述这些钟的计时精度虽然很低，但能适应当时的社会经济发展，满足人们生活的要求。 单纯利用水的流动来计时有着许多不便。于是，人们逐渐发明了利用水作为动力，以驱动机械结构来计时。公元117年,中国东汉的张衡制造出大型天文计时仪器─漏水转浑天仪。它用漏水驱动浑象进行天文测量，并通过齿轮等机械结构显示日历，初步具备了机械性计时器的作用。725年左右,中国唐代的一行和梁令瓒制成水运浑象。它以水力带动浑象运转，进行天文测量，并通过齿轮系和日、月、二轮环分别显示日、月，通过两个木偶分别击鼓报刻、撞钟报晨。水运浑象的自动报时，开创了中国独特的天文钟传统。1086～1092年，中国北宋的苏颂和韩公廉在京城开封制成一座水运仪象台。这座大型天文仪器，集浑仪、浑象和报时装置于一身，是一座上窄下宽、底为正方形的高台木结构建筑。全台分三隔：上安浑仪,中设浑象,下置报时装置和动力机械。通过水力驱动机械系统，可以带动木人按时持不同时辰牌出现于楼口,并采用摇铃、敲钟、击鼓方式自动报时;夜间则用击钲报更。水运仪象台在计时仪器历史上的主要贡献是:采用由天关、天锁、关舌等组成的天衡机构,控制枢轮作等速运动，接近于现代钟表的擒纵机构（见机械钟表机构）。水运仪象台也是世界上最古老的天文钟。 1276年，中国元代的郭守敬制成大明灯漏。它是利用水力驱动，通过齿轮系及相当复杂的凸轮机构，带动木偶进行“一刻鸣钟、二刻鼓、三钲、四铙”的自动报时。 全部采用机械件的非周期控制计时时期 (1300～ 1675) 这一时期，人们摆脱了以水为动力，而采用了重锤和发条作为驱动力，先后发明了全部由机械零件组成的塔钟和时钟等机械计时仪器。计时方法发展到非周期控制计时。计时精度明显提高。 14世纪初，意大利的一些教堂开始使用塔钟。1360年，德国符腾堡的H.de维克为法国国王查理五世制造了一只大钟，安装在巴黎的皇家宫殿（即后来的法国高等法院）。这座大钟的机芯是铁制的,由一个500磅的重锤驱动，控制机构采用冕状轮擒纵机构，钟面仅有一根时针。它的出现标志着钟表技术的巨大飞跃。在这以后到1500年左右，欧洲一些国家的主要城市都相继安装了这类塔钟。 约在1500年，德国锁匠P.亨莱因发明了发条，替代重锤作为钟的动力，制造出人们能随身携带的钟。这是钟表技术上的又一次飞跃。从此以后，时钟才逐步进入家庭用钟的行列。 周期控制计时时期(1675年至今) 周期控制计时即利用一些等时性好的振动现象，并以累计这些振动现象的振动数的方法来计量时间。这一时期，钟表结构、钟表理论以及精密加工技术、微电子技术等日臻成熟；各种机械钟表不断出现和完善，各种电子钟表也相继问世，钟表种类日益增多；钟表工业成为横跨机械、电子、原子能等多种学科，并影响到精密加工、微电子技术等各个方面的工业门类；计时精度越来越高，最高精密度已达10-14。就计时精度的发展来说，这一时期大致可分为3个阶段。 第一阶段（17世纪末至18世纪中） 这一阶段的计时精度较前一时期明显提高。 1582年，伽利略发现摆的等时性原理，奠定了计时学的理论基础。1656～1657年，荷兰物理学家C.惠更斯应用伽利略发现的原理，制成世界上第一只摆钟。1675年，惠更斯又首先成功地在钟上采用了摆轮游丝。由于这两项重大发明，即把摆和摆轮游丝振荡系统的频率作为时间基准而用于钟表,使得钟的走时精度大大提高,钟的外形尺寸也因此可以缩小。这时，尺寸较小的怀表开始流行起来。 钟表技术的另一个重大进展，是擒纵机构的改进。1670年，英国的W.克莱门特发明后退式擒纵机构，提高了钟的走时精度。这种机构在今天的一些简便的摆锤式挂钟中仍有使用。1715年，英国G.格雷厄姆发明直进式擒纵机构。它能使钟摆在摆动到平衡位置附近时受到一个冲量，而在摆动到其他部位时只受到很轻微的摩擦力。它弥补了后退式擒纵机构的不足之处，使钟的走时精度得到了很大的提高。 16世纪末，由于远洋航海事业的发达，促使人们开始寻求一种精度高的计时仪器，以便计算船只在海洋中的经度位置。英国的J.哈里森经过多年的努力，于1735年成功地制成了第一只航海天文钟，但太笨重。后经不断改进，第四只钟的体积已同现在的闹钟大小差不多。1761年，第四只航海钟在一次远航试验中，取得了历时156天只差54秒的成就。 第二阶段（18世纪中叶至20世纪初） 这一阶段的计时精度比第一阶段又提高了一步。精密计时器开始朝商业性方向发展。 1765年，T.马奇发明自由式擒纵机构，并于1840年在瑞士得到改进。1897年，C.E.纪尧姆发明了钟表用的铁镍合金等。由于这些成就,钟表走时精度又有提高,同时继续向小型化方向发展。 这一阶段，摆钟开始迅速发展起来。天文摆钟在18世纪中叶已经达到日差1/10秒的精度。到19世纪末，它的走时精度达到日差1/100秒的水平。 1840年，英国A.贝恩发明电钟，开创了电技术在钟表领域的应用。此后，电钟得到迅速发展。 第三阶段（20世纪初至今） 这一阶段的计时精度已非常高，相应的计时仪器如天文钟、原子钟等的最高精度已达10-14。这时钟表的含义已大大超越了早期钟表的含义。这个阶段主要有以下3个特点。 ①电技术的应用极大地提高摆钟的走时精度，并使电钟获得大发展。1916年，美国H.E.沃伦对以往的电钟进行改进,制成了同步电钟。后来,这种电钟在美国和欧洲迅速流行。电钟的精度一般保持在日差几秒之内。1921年，英国W.H.雪特制造出精密的天文摆钟──雪特摆钟(clock Shortt)。它是由两只摆钟以子母钟形式组成。子钟由母钟控制，并与母钟同步,其精度达到日差0.001～0.002秒。这种摆钟成为1924～1942年间格林威治天文台的标准钟。 ②设计适于大批量生产的手表结构，使之获得高精度并在全世界普及。20世纪初，瑞士开始研制手表并大批量生产。第一次世界大战期间，手表因具有很高精度而开始受到人们的欢迎。大战后，手表开始在美国流行，随后便在世界各地盛行起来。从1914年开始大量制造手表，到1920年，手表制造业已成为瑞士最重要的工业之一。到第二次世界大战后，手表几乎取代了怀表。 ③随着科学技术的发展，微电子技术开始被引入钟表中。采用音叉振荡器和石英谐振器作为计时器的时基。1922年，W.G.卡迪首先采用石英晶体作为频率标准器。1929年，英国W.A.莫里森将石英晶体应用于计时，制成一只环型的石英晶体计时器。1938年，英国国家物理所的L.爱森对这种石英钟进行了改进，使之比雪特天文摆钟走时更为精确。1942年，格林威治天文台用石英钟代替雪特钟，作为标准钟。 1934年，美国C.E.克利顿和N.A.威廉斯发明原子钟。1955年出现了铯原子钟。它们的出现，使时间频率计量精度又产生一个飞跃。此后，氢原子钟、铷原子钟等相继出现，发展非常迅速。1967年起，以铯原子钟的跃迁频率为基础，规定了原子时的秒长，并成为目前时间计量的标准。与石英钟相比，原子钟具有更高的频率。原子钟或原子频率标准的频率漂移已达到10-13或10-14。原子钟的出现，是时间测量技术上一场重大的革命。 50年代半导体的发明和60年代微电子技术的发展，使钟表出现了划时代的变化，钟表产品趋向于微型化、低能耗、高精度和多功能。1955年,摆轮游丝电子表（第一代电子表）问世。1960年美国布洛瓦(Bulova)公司研制出音叉式电子表（第二代电子表）。它采用小型音叉作为振荡器，用电池作为能源，通过电子线路输出脉冲电流驱动音叉振荡，然后通过其上的棘爪拨动棘轮，使轮系转动，借以计时。1967年，瑞士和日本分别研制出指针式石英电子表（第三代电子表），并于1969年由日本精工公司首先在市场出售。它采用石英谐振器作为振荡器，由它输出的信号通过分频器分频，然后驱动步进电机带动轮系转动，借以计时。1970年，美国哈密尔顿(Hamilton)公司研制成功数字式石英电子表（第四代电子表）。它是利用发光二极管(LED)作为显示器件。同年，瑞士和日本又先后研制出液晶显示 (LCD)的数字式石英电子表。新的电子手表的走时精度比机械手表要高出几个数量级，标志钟表技术已达到新的高度；同时也标志着现代钟表工业实际上已成为微电子技术、电子学与精密机械紧密配合的典型工业之一。 参考书目 刘仙洲:中国在计时器方面的发明,《清华大学学报》，第3卷，第2期，北京，1957。 （英）李约瑟：《中国科学技术史》，第4卷，第1分册，科学出版社，北京，1975。 § 配图 § 相关连接 |
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