短时同步自由摆钟

跳转到导航跳跃搜索Shortt-Synchronome自由摆钟是1921年由英国铁路工程师William Hamilton Shortt与钟表学家Frank Hope-Jones合作发明的复杂精密机电摆钟[1]，由英国伦敦的Synchronome Co.，Ltd.制造。[2]它们是商业化生产的最精确的摆钟，[3][4][5][6][7]，成为20世纪20年代至40年代的最高计时标准，此后机械钟被石英时间标准所取代。它们在世界各地的天文台、海军天文台、科学研究中使用，并作为国家时间传播服务的主要标准。Shortt是第一个比地球本身更精确的时钟；它在1926年被用来探测地球自转速度的微小季节性变化。[3][7][8]短钟每年的精确度约为1秒，[3][9][10][11]，尽管最近的一项测量表明它们的精确度更高。1922年至1956年间制作了大约100部。[10][12]。

短钟用两个钟摆计时，一个主摆在真空箱里摆动，一个从摆在单独的钟里，通过电路和电磁铁与主钟同步。从摆连接到时钟的计时装置上，使主摆几乎不受外部干扰。

Shortt钟由两个独立的单元组成：直径26厘米，高125厘米的铜真空箱中的主摆挂在墙上，[13]和一个从它的精密摆钟，矗立在几英尺远的地方。这款钟由两个独立的部件组成：一个装在直径26厘米、高125厘米的铜真空箱中的主摆挂在墙上，另一个放在几英尺远的精密摆钟上。为了防止两个钟摆之间有任何耦合的可能性，这两个单元要么被安装在不同的房间里，要么被定向成两个钟摆的摆动平面相隔90度。这两个单元要么被安装在不同的房间里，要么被定向成两个摆的摆动平面相隔90度。从时钟是标准同步精密调节器时钟的修改版本。这两个部件通过导线相连，导线携带的电脉冲驱动机构中的电磁铁，以保持两个钟摆的同步摆动。主摆杆和它的14磅的重量是由因瓦合金制成的，以减少钟摆的热膨胀和收缩，这使得钟摆的周期随着温度的变化而变化。残余热膨胀率通过在钻杆下方插入金属来补偿为零。真空箱由手动泵抽至30毫米汞柱左右的压力[14]，以防止大气压力的变化影响钟摆的速率，并极大地降低了摆上的空气动力学阻力，从而使其Q因子从25,000增加到110,000，[15]，从而将其精度提高了四倍。Shortt的实验表明，在30毫米汞柱下，悬挂弹簧弯曲所消耗的能量恰好等于偏转残余空气分子所消耗的能量，因此不需要更高的真空。[14]。

这两个钟摆都是秒摆，大约1米(39英寸)长，周期为2秒；主人的每一次摆动恰好需要一秒，而奴隶的自然摆动速度要稍长一些。这些钟摆每隔30秒就会受到机械装置的一次推动，以保持它们的摆动。从钟上有两个时钟刻度盘，显示每个钟摆的时间，以验证它们是同步的。它也有产生1 Hz定时信号的电气端子。电线可以连接到这些设备上，将时钟的超精确时间信号传输到其他城市的时钟，或者通过无线电广播。

在真空中无摩擦、无外界干扰地以恒定振幅摆动的钟摆，理论上保持完美的时间。[2]然而，钟表中的钟摆必须连接到钟表的机械装置上，这干扰了它们的自然摆动，这也是20世纪初精密钟表误差的主要原因。普通钟表的机械装置每次摆动都与钟摆相互作用，以实现两个功能：首先，钟摆必须启动某种类型的连杆来记录时间的流逝。其次，由连杆触发的钟表机构必须给钟摆一个推力(脉冲)，以弥补钟摆因摩擦而损失的能量，使其保持摆动。这两种功能都会干扰钟摆的运动。

Shortt时钟的优点是，首先，它通过每30秒只给主摆一个脉冲(30次摆动)来减少由于脉冲引起的对主摆的干扰，其次，它通过产生必要的精确定时信号来控制从钟(并记录时间的流逝)，从而消除了与主摆的所有其他交互作用，让钟摆摆动"

对主摆的冲击是由主摆的重力杆(充当修道院)从连接在主摆上的轮子上滚动而来的，这一机制确保了主摆每隔30秒就会从主摆重力杆上收到一个相同的机械冲量，非常接近其行程的相同部分。这一机制确保了主摆每隔30秒就会从主摆的重力杆上收到一个相同的机械冲量，非常接近其行程的相同部分。

下落的主摆重力杆关闭第二电路中的一对触点，重置该杆并向从属单元中的命中和未命中同步器提供回电脉冲。虽然由从属单元开始的周期的开始可能每隔30秒变化非常小的量，但是复位和同步动作(仅在主钟重力臂组件的宝石从摆上的轮子上滚下的那一刻)被固定在主摆的位置，并且代表从自由(主)摆导出的准确时间。

来自主摆的脉冲被用来通过一种称为命中和未命中同步器的装置来保持从摆与它的相位。[17]每摆动30次，冲击主摆后，比较两个摆的位置。这是通过第二电路的电脉冲完成的，由主摆的重力杠杆激活，主摆的重力杆使用从单元中的第二个电磁铁将叶片移动到连接到从摆上的钢板弹簧的路径中。如果奴隶摆落后于主摆，弹簧就会卡住风向标(称为撞击)。弹簧会给奴隶摆一个推力，从而缩短了摆动的时间。如果从摆在主摆的前面(未命中)，钢板弹簧将错过风向标，并且从摆将正常摆动，而不会受到钢板弹簧的加速。从摆的速度被设置为比主摆稍慢一些，所以在每个间隔内，从摆都会落后于主摆更多，直到它收到一记重击，使它再次领先。通常情况下，命中产生的加速度约为正常损失的两倍，因此命中和未命中循环大致交替，因此该机制得名。这个循环反复重复，从长远来看，使奴隶与主人保持精确的步调。这种反馈回路的功能相当于后来用于电子钟、石英钟和原子钟的锁相环的机电版本。

1984年，皮埃尔·布切伦研究了美国海军天文台保存的短钟的精确度。[3][18][18]他使用现代光学传感器在不干扰钟摆的情况下检测钟摆通过的精确时间，将其速度比作一个月的原子钟。他发现，它稳定在每天200微秒(2.31 ppb)，相当于12年一秒的错误率，比之前测量的每年1秒要精确得多。他的数据显示，时钟是如此灵敏，以至于可以探测到由于太阳和月球的重力导致固体地球中的潮汐扭曲而导致的重力的轻微变化。[19]。

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