第十三章 木质机械钟
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经过了整整一个月的准备，朱由栋终于把重锤式机械摆钟的图纸设计出来了。通过设计齿轮的大小和齿数，设计出一定的齿轮系，为了简便和高效得打造出来，只设置一个时针，旋转一周为一个昼夜。时钟的表面均匀标注十二个时辰，分别是子时、丑时、寅时、卯时、辰时、巳时、午时、未时、申时、酉时、戌时、亥时。一个昼夜，时针在钟面上旋转一周，代表走过了十二个时辰，相当于二十四个小时。
又过了整整一个月，朱由栋简单地给宋应星讲解了最基础的数学和物理知识，从小学到高中，凡是机械这门专业需要用到的知识，朱由栋都先挑拣出来教给了宋应星，尤其是打造机械钟需要用的各种概念，更是让宋应星现学现卖。幸亏宋应星是个理工科天才，凡是朱由栋教他的，他都能很快吸收消化，难怪他日后可以写出《天工开物》这样的奇书。
“老师，你设计出来的这些图纸，真的能打造出可以独自计时的机械钟？”宋应星充满疑惑地问道，虽然他学习了基础的数学和物理知识，但要想完全理解机械钟的工作原理还是有一点难度的。
朱由栋立即肯定道：“当然能了，如果能用铁作为材料，那就更好了，还可以设计出打点机构，到点自动打鸣。”
鉴于只有一个学生宋应星，朱由栋决定全权交由他来督造这个机械钟。当然，朱由栋既是导师，又是老板，大方地给了宋应星拨款，让他找来全城最好的木匠。
“木匠？老师，你不是说用铁作为材料更好嘛！”
“好是好，不过眼下最好还是先打造木质的吧！为什么打造木质的机械钟？因为简单可行又节约经费啊！你以为老师的私房钱堆积如山呀！”
确实！朱由栋不得不考虑当前的形势啊！就拿书院的经费来说，这些费用可都是朱由栋的私房钱，他可是省吃俭用了一个月才有这点的积蓄。别说朱由栋不过是世子爷的公子，就是堂堂吉王府，那每年岁支的禄米也都是紧巴巴的。
虽说大明朝自从隆庆元年解除海禁以来，但海内外的商贸往来和各行各业的商业发展仍然处于萌芽状态，大明朝的经济仍然还是拮据得很，可以说还是几乎是农业为主的一穷二白啊！
不过从现在开始不一样了，朱由栋很有心改变大明朝的工业状况，引发一场经济革命，从而改变落后的市场关系。这些当然都是后话，眼下朱由栋需要做的是教育，让更多的年轻人加入工业革命的队伍中来，而教育的第一步就是招生。
宋应星便是一个很好的开头，朱由栋总是如此乐观的以为，就当给自己一点心理安慰和自我欺骗吧。
“宋应星，打造机械钟这个艰巨的任务，老师就交给你了，有没有信心？”
“老师，你还是再给我讲讲，这个机械钟的内部结构和工作原理吧！”
朱由栋的趾高气昂和宋应星的垂头气馁形成鲜明的对比。朱由栋想起几个月前，这孩子还以为自己是不学无术、欺世盗名的纨绔公子呢！
机械钟表机构有多种类型，但一般都由原动系、传动系、擒纵调速系、上条拨针系和指针系组成，工作原理基本相同。原动系储存和传递工作能量的机构，分为重锤原动系和弹簧原动系两类。
弹簧原动系对材料的要求很高，别说朱由栋的资金不够，就算官府给他拨了经费，以目前的技术水平，朱由栋根本打造不出一个合格的弹簧，或者说是发条。或许在下一个阶段，朱由栋会考虑打造铁质的弹簧原动系机械钟，或许那个时候，朱由栋已经有了一台机床，有了一批技术扎实的工匠，甚至有了初步的钢铁工业。
而就目前的条件而言，朱由栋不敢眼高手低，只能着眼于木质的重锤式机械摆钟。重锤原动系只需要利用重锤的重力作能源，用于简易挂钟和落地摆钟是足足够用的了。重锤原动系结构简单，力矩稳定，利用钟锤下降的重力作能源，以机械振动系统为时间基准，实现计量时间和时段。
朱由栋讲到这里，见宋应星紧皱眉头，好像一副来不及消化的样子，于是停顿下来，等待他的下一步反应。果然，宋应星开口问道：
“老师，我还是不太理解，尤其是这个钟锤，它到底怎么用？”
“钟锤就是原力，就是第一推动。”朱由栋进一步解释道。
钟锤的作用是作为一个能量存储装置，因此时钟可以在无人值守的情况下运行相对较长的时间。拉紧绳索提起钟锤，在地球重力场的作用下赋予钟锤势能，钟利用的正是钟锤下落时的势能驱动机构进行运转。每个昼夜，钟锤落到地上一次，每天固定在辰时准点，再次拉紧绳索提起钟锤，新的一天重新开始计时。
宋应星略微懂了的样子，又问：“那个棘轮装置，它看起来很复杂的样子。”
“棘轮其实并不是复杂，而是一个神奇的装置。”
棘轮装置中有一个轮齿带有特定形状的齿轮，还有一个钟摆，连接钟摆的是可以啮合齿轮轮齿的某种装置。钟摆来回摆动一次，齿轮的每次转动就会固定地有一个轮齿得到释放，称之为逃脱。连接钟摆的机械装置，被称之为锚，每次释放一个棘轮装置齿轮轮齿。
棘轮装置齿轮的另一个作用是赋予钟摆足够的能量，使钟摆能够克服摩擦力并保持摆动。为了完成这个任务，锚和棘轮装置齿轮的轮齿被设计为特殊形状。如果齿轮的轮齿正确逃脱，钟摆每摆动一次锚都会在适当的方向施加一个轻推力。轻推力增强了钟摆克服摩擦力所需的能量，从而使它能保持摆动。
讲解了这么多之后，朱由栋总结道：
“尽管时钟内的所有齿轮使它看起来很复杂，但是摆钟的工作原理非常简单。总的来说就是这么几点，第一，钟锤可以为时钟的指针旋转提供能量，第二，棘轮装置由钟摆、锚和棘轮装置齿轮构成，可以精确调节钟锤能量释放的速度，第三，指针齿轮系使时针能够以正确的速度运转。”
又经过了整整一个月，朱由栋和宋应星师生两人在和木匠师傅们的合作下，成功地打造出了木质的重锤式机械摆钟。作为这架机械钟的守护者，宋应星决定，他将每天辰时，等待着重锤最终落地的那一刻，然后立即拉紧绳索提起钟锤，从而开始新一天的计时。
经过了整整一个月的准备，朱由栋终于把重锤式机械摆钟的图纸设计出来了。通过设计齿轮的大小和齿数，设计出一定的齿轮系，为了简便和高效得打造出来，只设置一个时针，旋转一周为一个昼夜。时钟的表面均匀标注十二个时辰，分别是子时、丑时、寅时、卯时、辰时、巳时、午时、未时、申时、酉时、戌时、亥时。一个昼夜，时针在钟面上旋转一周，代表走过了十二个时辰，相当于二十四个小时。
又过了整整一个月，朱由栋简单地给宋应星讲解了最基础的数学和物理知识，从小学到高中，凡是机械这门专业需要用到的知识，朱由栋都先挑拣出来教给了宋应星，尤其是打造机械钟需要用的各种概念，更是让宋应星现学现卖。幸亏宋应星是个理工科天才，凡是朱由栋教他的，他都能很快吸收消化，难怪他日后可以写出《天工开物》这样的奇书。
“老师，你设计出来的这些图纸，真的能打造出可以独自计时的机械钟？”宋应星充满疑惑地问道，虽然他学习了基础的数学和物理知识，但要想完全理解机械钟的工作原理还是有一点难度的。
朱由栋立即肯定道：“当然能了，如果能用铁作为材料，那就更好了，还可以设计出打点机构，到点自动打鸣。”
鉴于只有一个学生宋应星，朱由栋决定全权交由他来督造这个机械钟。当然，朱由栋既是导师，又是老板，大方地给了宋应星拨款，让他找来全城最好的木匠。
“木匠？老师，你不是说用铁作为材料更好嘛！”
“好是好，不过眼下最好还是先打造木质的吧！为什么打造木质的机械钟？因为简单可行又节约经费啊！你以为老师的私房钱堆积如山呀！”
确实！朱由栋不得不考虑当前的形势啊！就拿书院的经费来说，这些费用可都是朱由栋的私房钱，他可是省吃俭用了一个月才有这点的积蓄。别说朱由栋不过是世子爷的公子，就是堂堂吉王府，那每年岁支的禄米也都是紧巴巴的。
虽说大明朝自从隆庆元年解除海禁以来，但海内外的商贸往来和各行各业的商业发展仍然处于萌芽状态，大明朝的经济仍然还是拮据得很，可以说还是几乎是农业为主的一穷二白啊！
不过从现在开始不一样了，朱由栋很有心改变大明朝的工业状况，引发一场经济革命，从而改变落后的市场关系。这些当然都是后话，眼下朱由栋需要做的是教育，让更多的年轻人加入工业革命的队伍中来，而教育的第一步就是招生。
宋应星便是一个很好的开头，朱由栋总是如此乐观的以为，就当给自己一点心理安慰和自我欺骗吧。
“宋应星，打造机械钟这个艰巨的任务，老师就交给你了，有没有信心？”
“老师，你还是再给我讲讲，这个机械钟的内部结构和工作原理吧！”
朱由栋的趾高气昂和宋应星的垂头气馁形成鲜明的对比。朱由栋想起几个月前，这孩子还以为自己是不学无术、欺世盗名的纨绔公子呢！
机械钟表机构有多种类型，但一般都由原动系、传动系、擒纵调速系、上条拨针系和指针系组成，工作原理基本相同。原动系储存和传递工作能量的机构，分为重锤原动系和弹簧原动系两类。
弹簧原动系对材料的要求很高，别说朱由栋的资金不够，就算官府给他拨了经费，以目前的技术水平，朱由栋根本打造不出一个合格的弹簧，或者说是发条。或许在下一个阶段，朱由栋会考虑打造铁质的弹簧原动系机械钟，或许那个时候，朱由栋已经有了一台机床，有了一批技术扎实的工匠，甚至有了初步的钢铁工业。
而就目前的条件而言，朱由栋不敢眼高手低，只能着眼于木质的重锤式机械摆钟。重锤原动系只需要利用重锤的重力作能源，用于简易挂钟和落地摆钟是足足够用的了。重锤原动系结构简单，力矩稳定，利用钟锤下降的重力作能源，以机械振动系统为时间基准，实现计量时间和时段。
朱由栋讲到这里，见宋应星紧皱眉头，好像一副来不及消化的样子，于是停顿下来，等待他的下一步反应。果然，宋应星开口问道：
“老师，我还是不太理解，尤其是这个钟锤，它到底怎么用？”
“钟锤就是原力，就是第一推动。”朱由栋进一步解释道。
钟锤的作用是作为一个能量存储装置，因此时钟可以在无人值守的情况下运行相对较长的时间。拉紧绳索提起钟锤，在地球重力场的作用下赋予钟锤势能，钟利用的正是钟锤下落时的势能驱动机构进行运转。每个昼夜，钟锤落到地上一次，每天固定在辰时准点，再次拉紧绳索提起钟锤，新的一天重新开始计时。
宋应星略微懂了的样子，又问：“那个棘轮装置，它看起来很复杂的样子。”
“棘轮其实并不是复杂，而是一个神奇的装置。”
棘轮装置中有一个轮齿带有特定形状的齿轮，还有一个钟摆，连接钟摆的是可以啮合齿轮轮齿的某种装置。钟摆来回摆动一次，齿轮的每次转动就会固定地有一个轮齿得到释放，称之为逃脱。连接钟摆的机械装置，被称之为锚，每次释放一个棘轮装置齿轮轮齿。
棘轮装置齿轮的另一个作用是赋予钟摆足够的能量，使钟摆能够克服摩擦力并保持摆动。为了完成这个任务，锚和棘轮装置齿轮的轮齿被设计为特殊形状。如果齿轮的轮齿正确逃脱，钟摆每摆动一次锚都会在适当的方向施加一个轻推力。轻推力增强了钟摆克服摩擦力所需的能量，从而使它能保持摆动。
讲解了这么多之后，朱由栋总结道：
“尽管时钟内的所有齿轮使它看起来很复杂，但是摆钟的工作原理非常简单。总的来说就是这么几点，第一，钟锤可以为时钟的指针旋转提供能量，第二，棘轮装置由钟摆、锚和棘轮装置齿轮构成，可以精确调节钟锤能量释放的速度，第三，指针齿轮系使时针能够以正确的速度运转。”
又经过了整整一个月，朱由栋和宋应星师生两人在和木匠师傅们的合作下，成功地打造出了木质的重锤式机械摆钟。作为这架机械钟的守护者，宋应星决定，他将每天辰时，等待着重锤最终落地的那一刻，然后立即拉紧绳索提起钟锤，从而开始新一天的计时。