古人如何计时？How did the ancients calculate the time?

各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师

有 小朋友 给我发 来 私信 说 他 对 钟表 特别 感兴趣

他们 家有 个 老式 的 挂钟 一摆 一 摆 的 就 可以 计时 了

他 有 一个 机械 手表 不用 上发条 也 能够 计时

他 问 我 这 是 什么 原因 呢

今天 我们 就 一 起来 研究 一下 钟表

首先 我们 先 来说 一下 历史 上 有 哪些 计时 的 工具

计时 又 是 一个 古老 的 话题

最 开始 人们 的 计时 工具 主要 分为 两种

第一种 是 天文 计时

也 就是 利用 太阳 月亮 星星 来 计算 时间 的

比较 常见 的 一个 工具 叫做 日晷

这个 咱们 都 应该 听说 过 日晷

日晷 它 是 计 时间 的 一个 工具

基本原理 就是 有 一个 盘子 上面 有 一个 杆

然后 太阳光 从 某个 地方 照过来

就 会 在 这个 盘子 上面 形成 一个 影 对 吧

这个 是 杆 底下 就 有 一个 影

根据 影 的 长短 和 方位 的 不同

我们 就 可以 知道 现在 是 一天 中 的 什么 时间 了

还有 一个 叫做 圭表

圭表 这个 东西 它 是 用来 记 日期 的

怎么 计 日期 呢

就是 基本 结构 是 这 上面 有个 立柱

这个 立柱 我们 就 称之为 表

底下 有 一个 托盘 我们 称之为 圭

然后 把 这个 玩意儿 正 南北 放置

这个 是 南 这个 是 北

在 正午 的 时候 太阳光 应该 是 处于 南方 对 吧

所以 它 应该 有 一个 影 这个 影就 照过来 了

照过来 了 之后

因为 在 一年 中 的 不同 的 时间 太阳 的 方位 和 高度 都 不 一样

所以 这个 影 的 长短 以及 方向 都 会 有所不同

那 根据 这个 影 的 长短 和 方向 我们 就 可以 计算 四季 了

计算 每 一年 是 什么 日期 这个 就是 所谓 的 圭表

当然 了 很 显然 这个 东西 首先 不是 很 精确

其次 最大 的 问题 在于 晚上 怎么办

你 到 了 晚上 就 没法 计时 了 对 吧

所以 后来 人们 为了 克服 晚上 的 问题 呢

又 开始 使用 流体 计时 工具 流体 计时

那 大家 知道 是 什么 吧

现在 我们 还 在 用 的 什么 啊 第一个 叫 沙漏

沙漏 就是 在 这 里面 装 沙子

瓶子 里装 沙子 然后 这 沙子 往下 漏 往下 漏

这个 时候 我们 就 可以 计算 时间 了

那 沙漏 的 主要 问题 是 在于 它 容易 堵

万 一堵 上 了 这个 计时 就 失败 了 对 吧

这是 第一种 计时 工具 为了 防止 堵 这个 问题

人们 又 发明 了 水漏

水漏 那 顾名思义 就是 流水 呗

上面 有 一个桶 桶 里边 装水 然后 这里 有 一个 管子

水往 外流 底下 再接 一个桶

这样一来 我们 随着 往 这儿 流 的 水 越来越 多

我们 就 可以 知道 现在 是 几点 几分 了

但是 它 的 问题 在于 吧

你 上面 的 这个 桶 水位 的 高低 会 影响 流速

水位 越高流 的 越 快 水位 越 低流 的 越慢

所以 这个 计时 不 精确 那 人们 怎么 改进 呢

就 把 它 改进 成 多级 的

就是说 你 这个 往下流 了 之后 底下 我 再 搞 一个 管子

我 再 搞 一个桶 然后 再 让 它 往下流

我用 最 底下 这个 来 计时

而 上面 这个 桶 的 作用 是 用来 保持 这个 水面 保持 不变

所以 就 成为 了 一个 三级 水漏

我们 在 这个 出土 的 一些 水漏 里面 出现 过 四级 的 水漏

那 这样 就 会 更加 精确 了

水漏 的 问题 在于 哪 呢 在于 冬天 的 时候 会 结冰

你 到 了 冬天 的 时候 结冰 了 这水漏 就 没法用 了 对 吧

所以 它 也 是 有 问题 的

好 了 那么 后来 人们 就 逐渐 的 转向 了 钟表

那 我们 来说 一下 钟表 的 发明

我们 首先 来说 一下 摆钟

为了 解释 摆钟 我们 首先 得 知道 摆是 具有 等时性 的

摆 的 等时性 是 谁 发明 的

是 在 1564 年 18 岁 的 科学家 伽利略 发现 的

这个 伽利略 他 是 一个 天主教徒

他 有 一次 在 教堂 里边 做礼拜 的 时候

就 发现 有人 扰动 了 一个 教堂 顶上 挂 着 的 灯

结果 这个 灯 就 左右摇摆 随着 时间 的 推移 能量 越来越少

所以 摇摆 的 幅度 越来越少 了

但是 伽利略 发现 那 不管 你 摇摆 的 幅度 大 还是 幅度 小

它 摆动 的 一圈 的 时间 都 是 一样 的

这件 事 就 称之为 单摆 的 等时性

所以 伽利略 发现 了 单摆 的 等时性

我们 具体 来 解释一下 等时性 的 问题

就是 这是 一个 天花板 下面 挂 了 一个 重物

这个 重物 可能 是 一个 灯 然后 它 就 开始 左右 的 摇摆

那么 最 开始 摇摆 的 幅度 比较 大

后来 因为 能量 损失 摇摆 的 幅度 小 了

但是 不管 怎么样 来回 走 一圈 的 时间 是 固定 不变 的

伽利略 在 教堂 里 就 发现 了 这个 周期 吧

它 是 周期 是 与 振幅 无关 的 与 振动 的 幅度 是 无关 的

然后 他 回家 之后 继续 做 实验

他 搞 了 一个 线 然后 搞 了 不同 的 重物

他 发现 这个 重物 重 还是 轻 其实 也 不 影响 周期

所以 是 与 振幅 还有 物体 的 重量 都 是 无关 的

而 这件 事 就 称之为 单摆 的 等时性

那么 它 与 什么 有关 呢 经过 测量 伽利略 发现

这个 周期 是 与 单摆 的 摆长 有关 的

就是 这个 摆长 越大 那么 这个 周期 就 越 大

摆长 越小 周期 就 越 小

除此之外 与 振幅 和 重量 都 没有 关系

那么 伽利略 这件 事 发现 了 之后 就 为 这个 钟摆 的 发明 开辟 的 道路

但是 那个 时候 伽利略

还 没有 完整 的 提出 它 的 周期 到底 公式 是 什么

这件 事 就 留给 另外 一个 科学家

就是 在 1657 年 的 时候

荷兰 的 著名 的 科学家 惠更斯 他 提出 了 单摆 的 周期 公式

惠更斯 就是 和 牛顿 争论 光 到底 是 什么 那个 人

他 说 单摆 的 周期 可以 用 这样 一个 公式 去 算

2π√(L/g)

这个 L 是 什么 L 就是 摆 的 长度

这个 g 就是 重力 加速度 9.8m/s^2

这是 惠更斯 提出 的

那么 有 了 这 公式 咱们 算一算 有 一个 东西 叫 秒 摆

什么 叫 秒 摆 就是 周期 为 两秒 的 摆 来回 摆 一次 两秒

那么 这个 秒 摆 的 摆长 是 多少 呢

你 可以 代入 这个 公式 去 算 T 等于 2 往里代

代完 之后 你 就 会 发现 这个 L 大概 是 1m

也就是说 如果 你 搞 一个 摆长 是 一米 的 摆

那么 它 来回 摆 一次 的 时间 大概 就是 两秒

而 这个 事儿 它 实际上 与 振幅 和 重量 都 没有 关系

那么 依据 这个 原理 惠更斯 就 发明 了 世界 上 第一台 摆钟

那 摆钟 的 基本原理 是 什么 呢

我们 来说 一下 它 主要 有 一个 结构 叫做 擒 纵器

擒 纵器

我们 来看 一下 我们 在 这里 放 一个 齿轮

这个 齿轮 外围 有 一些 这样 的 齿儿

中间 同轴 连 着 一个 重物

这个 重物 其实 是 一个 动力

它 希望 这个 齿轮 转

但是 如果 你 不加 限制 地转 的话 它 就 会 越 转越 快 对 吧

那 怎么 去加 限制 呢 就是 擒 纵器 了

它 的 结构 是 这样 的 就是 这里 有 这么 一个 东西

这么 把 它 卡住

然后 这有 一个 固定 的 轴 轴 连 了 一个 重物

这个 重物 就 相当于 是 摆

当 它 摆 到 右侧 的 时候 就 会 把 这个 地方 卡住

这 就 称之为 擒 如果 它 竖来 的话

那 两边 都 不 卡住 它 就是 纵

当然 它 也 可能 会 摆 到 左边 去

如果 这个 摆 它 摆 到 左边 去 的话 会 出现 什么 现象 呢

那 就 会 在 右边 再 发生 一次 擒 在 右边 再 擒 一次

就 出现 这种 情况

对 吧 这样 的 一个 情况 就 又 擒住 了

所以 它 不管 是 在 左 还是 在 右 它 都 会 擒住 这个 物体

但是 它 竖 过来 的 时候 就 会 把 这个 轮子 释放

于是 这个 轮子 就 会 转 对 吧

那么 因为 这个 摆 的 周期 是 固定 的 比如说 两秒 摆 一次

所以 说 在 这 两秒钟 之内 你 就 可以 转

然后 两边 的 时候 你 就 会 卡得 住

这样 通过 这个 结构 就 可以 使 这个 轮子 有 规律 地 往前 转动 了

那 还有 同学 可能 会 有 疑问

说 那 为什么 有 的 指针 转 的 快 有 的 指针 转得慢 的

秒针 转 的 快 分针 转 的 慢 时针 转 的 最慢

这是 通过 一些 齿轮 的 连接 造成 的

比如说 这个 轮子 就是 一个 秒针 的 轮子

这个 秒针 的 轮子 秒针 轮 的 中间 有 一个 很小 的 齿轮

这个 很小 的 齿轮 连接 了 一个 大 齿轮

这个 大 齿轮 和 小齿轮 之间 它们 的 半径 之间 有 什么 关系 呢

半径 之间 的 关系 是 1:60

那 咱们 想一想 因为 这 两个 齿轮 是 咬合 的

所以 说 它 要是 转 了 一圈 的话 它 这边 会转 1/60 圈 对 不 对

所以 如果 秒针 是 一分钟 转 一圈 那么 分针 就 会 60 分钟 转 一圈

那 如果 我们 想 再造 一个 时针 那 怎么办

很 简单 那 我 中间 再 加 一个 共轴 的 轮 对 吧

然后 我 这边 我 再加 一个 大 的 齿轮 把 它 连 起来 就行了

那么 连 起来 的 时候 右边 的 这个 比例 应该 是 几比几

应该 是 1:12 对 吧

这样的话 时针 也 就 造出来 了

所以 通过 一大堆 齿轮 连接起来 的

如果 你 拆过 机械 秒表 的话 你 就 知道 了

机械表 一旦 拆开 基本 是 装 不 回去 的

因为 它 里边 齿轮 特别 特别 多

所以 才 有 所谓 的 这个 钟表匠 这种 人

一般 人 我们 是 装 不 回去 的

那么 说完 了 这个 摆钟

还有 同学 可能 会 奇怪 那 我 的 这个 手表 里面

如果 是 机械 手表 它 里边 也 没有 摆

其实 里边 也 是 有 摆 的

只不过 这个 摆 它 不 叫 摆 它 叫 游丝

我们 来说 一下 手表

游丝 是 什么 玩意儿

游丝 其实 是 一个 类似 于 摆 的 东西

就是 在 一个 轴 上面 缠绕 了 一圈 一圈 的 弹簧

这个 也 不是 弹簧 它 就是 弹性 的 金属丝

最 外层 又 连接 了 一个 物体 这个 物体 比较 重

有 一个 这个 物体 大概 是 这样 吧

就是 最 外层 它会 连接 一个 物体 好 了

那么 这个 因为 里边 的 弹性 丝 和 外边 是 连 着 的

如果 你 转动 外边 的 这个 这个 物体 的话

弹性 丝 的 作用 就 会 使得 它 一会 这么 转 一会 这么 转

结果 就 和 摆 一样 会 形成 有 规律 的 摆动

所以 游丝 这个 东西 就是 手表 的 心脏

它 如果 要是 出 了 问题 的话 手表 就 肯定 会 不准 了

那 游丝 谁 发明 的 呢 这 历史 上 两种 说法

这 第一个 就是 在 1675 年 的 时候

惠更斯 他 发明 了 游丝 惠更斯 发明 的

但是 胡克 （Robert Hooke，1635－1703） 说

我 早 在 1660 年 的 时候 就 已经 发明 了

不过 没有 人 见到 过

所以 胡克 很 生气 说 为什么 我先 发明 你们 都 不 相信

就 像 他 当年 跟 牛顿 争 万有引力 发明权 一样

这 就是 所谓 的 游丝

那么 我们 手表 里面 就 有 这样 一个 结构

再 通过 这个 齿轮 带动 它 就 可以 让 我们 知道 时间 了

那么 关于 手表 是 谁 发明 的 这个 说法 也 不是 很 统一

不过 有 一种 说法 是 1806 年 的 时候

法国 的 皇帝 拿破仑 他造 了 第一个 手表

说 拿破仑 为什么 要造 手表 呢

是因为 当时 拿破仑 想 讨好 他 的 皇后

于是 就 命令 钟表匠 去造 一个 什么 呢

造 一个 能够 戴 在 手腕 上 的 表

于是 就造 了 第一块 手表 是 吧

这 就是 所谓 的 机械 手表

我们 知道 不管 是 这个 钟 还是 机械 手表

你 要 想 让 它 走 你 必须 得 有 动力

否则 的话 经过 一段时间 损耗 它 就 会 停下

那么 这个 动力 来源于 哪

我 在 这里 画 这个 图是 通过 一个 重物 添加 动力 的

但 大部分 的 钟表 都 是 通过 发条 来 添加 动力 的 对 吧

现在 有 一种 全自动 的 手表 那么 这种 全自动 的 手表 是 不用 上发条 的

为什么 呢

因为 它 里边 有 一个 重锤

在 你 戴 着 手表 运动 的 过程 中 它 就 会 自动 的 给 这个 手表 上发条

所以 那种 表 你 只要 摇晃 摇晃 它 就 上发条 了

不过 机械 手表 有 它 的 问题 首先 就是 造价 高

造价 高 的 原因 就是 因为 它 的 部件 非常 的 精密

所以 好 的 机械 手表 是 非常 贵 的

但 同时 它 还 不 准确 因为 机械 的 东西 毕竟 会 受到 很多

比如 温度 湿度 这个 重力 等等 一系列 因素 的 影响

所以 它 不是 很 准确 大概 一天 要 差 几十秒 这个 样子

那么 现在 就 出现 了 一种 新 的 手表 就是 石英表

石英表 又 便宜 又 准确 所以 说 现在 机械 手表 基本上 不是 用 来看 时间 的

而是 用来 显示 身份 的

至于 说 这个 石英表 是 什么 原理

以及 比 它 更加 精确 的 铯 原子钟 到底 是 什么 原理

那么 下 一回 再 给 大家 进行 介绍

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