莱昂(技术)
傅科摆和时钟
短傅科摆(小于 1 米)在全世界都极为罕见,因为在建造过程中遇到的问题很快就会变得难以解决。相比之下,长摆的制作要容易得多。 第一个问题是悬挂装置。它必须完美无缺,否则钟摆会选择最有利的平面并停留在那里。钢丝必须没有内部张力,完全笔直,完全球形。固定装置也必须完美:传统的 3 爪或 4 爪小型精密卡盘是不够的,因为还需要仔细打磨。 第二个问题是椭圆的偏移。这种现象在大型摆锤上只是非常轻微,并不影响其结构。在长度小于 2 米的摆上,它造成的力比傅科叶效应更大。因此,必须消除或至少减少这种现象。一种方法是在导线的上三分之一处插入一个夏朗环,其内径应完全抛光。如果没有减少椭圆前倾的系统,短摆就无法工作。 所有这些现象加在一起,使不到 1 米的傅科摆几乎成为一个奇迹。加工和组装所花费的时间不会超过总时间的十分之一,其余时间全部浪费在调整上。而每次新的调整至少需要等待 16 个小时才能看到结果…… |
这个摆锤的摆动周期设定为一秒。我利用这一现象转动秒针,秒针又转动分针和时针。使用傅科摆作为时钟会产生一些额外的限制:
1) 能够精确设置周期的长度、
2) 补偿因温差引起的摆长变化、
3) 稳定振幅以保持等时性。
我设计的第一个傅科摆(Pestoline)使用了一个巧妙但可完善的系统:摆线通过一个孔滑动,可以在上游进行调节,就像吉他弦的调音方式一样。但缩短或拉长摆线也会改变磁铁相对于线圈的位置,从而改变驱动冲力的强度。这意味着微调振幅的持续时间是一项运动。在这种型号中,导线不会移动:只有孔可以升高或降低。该系统甚至可以在摆轮移动时调整摆轮的周期,而不会影响摆轮的运行,这是传统时钟所不具备的。温度补偿由位于组件上方的双金属片提供。通过使用红宝石,解决了加工夏朗环所固有的问题。因此,表环完美无瑕,没有磨损。
但为什么要有两个独立的表盘呢?左边的表盘显示钟摆的时间,而另一个表盘则是石英钟,在这里用作参考。因此,这终于是一款能满足所有人需求的钟表:匆忙的人总是会看右边的表盘,因为它更准确;诗人会喜欢左边的表盘(因为我们真正喜欢的人和事物,不正是不完美吗?因此,举例来说,如果钟摆上的秒针在某一时刻稍慢了一点,1/4 圈之后它又会跟上。这种现象是由于夏朗环的外差造成的,而这些波动的平均值为零。因此,这个时钟不能像普通时钟那样设置,因为夏朗环的任何偏心都会导致钟摆加速,1/4 圈后必然会出现相同幅度的减速。因此, 我们 需要将平均时间调整半圈。这将根据时钟所在的纬度而变化。在我当时位于锡永的工作室里,平均时间是 16 小时 34 分 14 秒。

初步测试表明,每天的误差不到一秒(可以通过调整摆轮的高度来改善)。如果有人想查阅下面的数据,可以向我询问。(这些数据只能用 Bryan Mumford 的 MicroSet 软件打开)

工作时间短的傅科摆几乎是一个奇迹:它必须永久安装。不可能把它拿起来就在几个不同的地方运行,因为摆的水平设置非常精确,一旦摆正常工作就不得更改。在安装过程中,这些调整可能需要长达两周的时间。
失败和原型
我的测试并非都是结论性的,远非如此!下面将介绍三个原型。它们的共同点是,我本以为一试就能成功…但它们从未成功。
1) 万向节悬架

这是一种万向悬架,由两把 Berkel 平衡刀和两个滚珠轴承保持架组成,可以向各个方向移动。这种悬架最适合长摆,但很难用于短摆,因为悬架必须完全平衡。要做到这一点,悬挂架的底部必须比顶部轻很多,这样悬挂架就会自动拉直。然后可以使用小砝码来纠正水平面的任何差异,直到悬挂物垂直为止。另一种调整水平的方法是在悬挂架的两把刀上放置两块小磁铁。调整的方法是将磁铁从中心移开,从而移动重心。调整完成后,就可以拧上平衡轴并开始测试。这种原型从未正常工作过。
2) 钨丝悬架

这种悬挂装置使用 0.05 毫米粗的钨丝。它几乎看不见,看到它移动的人都以为摆在悬浮。我选择这么细的金属丝是为了避免任何可能影响摆锤旋转的内部张力。出乎意料的是,在我不知道原因的情况下,这个摆从未工作过。所有调整悬挂物水平和旋转的尝试都没有成功。
3) 球形悬挂装置
更多从未成功过的原型!在第一张照片中,您可以看到悬挂装置是一个放在蓝宝石床上的 1 毫米碳化钨球。悬架可以在任何方向自由移动。实际上,它从来没有像它应该做的那样转动过。这个原型摆动了 9 个月,任何调整都无法对其产生影响。
下图展示了使用相同原理进行的另一项测试。不过,它是将一个滚动的球放在钢板上。这些尝试和钨球原型一样都没有成功。
调整悬挂平衡与调整万向节非常相似。首先要做的是拆下整个平衡装置,尽可能减轻悬架的重量。悬架底部必须明显加重,这样它才能自己升起来。如果悬架不能完全垂直升起,则需要通过去除铜环上的重量来改变平衡。要做到这一点,只需打磨铜环倾斜的一侧即可(您可以看到照片上的标记)。
