游丝驱动钟表实现周期性运动,那个左右转动的轮子被称为摆轮,而下面变松又变紧的就是游丝了 [2]
在人们发明石英振荡器之前,驱动钟表产生周期运动的是被称为「游丝」(balance spring) 的细细的弹簧。它的形状不再是直直的线型,而是盘绕在摆轮周围。可以在图中看到,游丝的两端被固定住,在施加推动力以后,游丝之间的间距会出现缩小再变大的周期性变化,从而驱动棘轮计时。如果游丝的长度过短,那么摆轮就会很难转动,振动周期也会变短;反之如果游丝长度过长,振动周期就会变长。所以游丝是影响走时准确的重要因素之一。
惠更斯所绘摆轮和游丝示意图。图片来自 Wikipedia by Deutsche Fotothek [3]
制作游丝的材料选取也至关重要,人们通常使用恒弹性合金(锡青铜等)来制造。究其原因,最重要的一点在于平衡温度对材料弹性的影响。温度变化会导致游丝热胀冷缩,改变游丝的有效长度,从而使得摆轮的转动不再稳定,钟表的走时变得不再准确。所以在现在的机械表里,我们可以看到能工巧匠们利用各种技巧来平衡温度带来的影响,提高走时的准确性。
现代机械表
当然,游丝不止在机械表里有所应用。比如我们在做电学实验时需要用到的磁电式电流表中,游丝起到平衡电磁力矩的作用,从而实现对电流的测量。
图中所示为磁电式电流表,电流通过线圈以后产生电磁力矩,从而驱动游丝发生转动。由于相互之间均为线性关系,所以标度盘上的刻度是均匀的。[5]
胡克定律
Hooke's Law
虽然惠更斯最早制作出了游丝摆轮实物,并把它展示给了法国皇家学会,也因此成为了官方认定的发明人。但是最早的游丝概念提出者并非惠更斯,而是罗伯特·胡克(Robert Hooke)。两人也因此对游丝摆轮的发明权展开了持久的争论。