在人类计时工具的发展历程中，日晷堪称最古老的存在，像故宫里的赤道式日晷，其中间指针与地球自转轴平行，借助太阳光直射，将太阳绕地球旋转等效来看，一圈 360 度对应 24 小时，每 15 度便是 1 小时，虽原理基于宇宙学范畴且相当精确，但受天气影响明显，一旦下雨乌云蔽日就无法使用。

为此，古人们想出诸多办法，古埃及和中国都有的漏壶利用滴水计时，中国还发明了香钟，它们不受天气干扰，只是精准度欠佳。

直至 1657 年，惠更斯发明摆钟，凭借其原理，后续怀表、腕表相继出现，让计时工具从庞大笨重变得小巧便携，可置于手腕方寸之间。而这背后改变普通人生活、实现精确计时的物理原理便是简谐运动。

以机械表为例，打开腕表，形如蚊香蛙的巨大发条弹簧是动力源，伸开可达几十厘米长。主弹簧直接相连的中心轮每小时转一圈控制分钟指针，第三和第四齿轮可将中心轮速度放大 60 倍连接秒针，另有减速齿轮把中心轮速度降低 12 倍连接时钟指针，这组齿轮叫轮系轴承，常采用红宝石来降低摩擦力。机械表整体是以主弹簧储存的能量为基础，驱动分钟指针，再通过齿轮的加速、减速来驱动其他指针实现计时。

那如何保证分钟指针转一圈就是一小时，主弹簧能量均匀释放呢？

这靠擒纵轮与秒针齿轮连接，用秒针反向控制中心轮，进而控制主弹簧能量释放速度。而擒纵系统确定时间的关键，在于摆轮这一精妙结构，它涉及伽利略、惠更斯和胡克三位科学家的研究成果。

伽利略发现做钟摆运动的小球来回晃动一个周期的时间只与线的长度有关，这种由自身系统特性决定的周期运动就是简谐运动。

惠更斯受此启发，想到既然周期恒定，便制造出当时最精确的摆钟，只是摆钟体积过大不便携带。后来惠更斯和胡克又同时发现弹簧的来回震动也能做简谐运动，惠更斯据此造出机械表，胡克则总结出弹性定律。

简谐运动‌是最基本也最简单的机械振动。当某物体进行简谐运动时，物体所受的力跟位移成正比，并且总是指向平衡位置。简谐运动的位移-时间曲线为正弦或余弦函数，表示物体在振动过程中的位移随时间的变化规律。

简谐运动在许多领域有广泛应用，例如：‌声学‌：声音的传播可以看作是简谐波的传播。

‌地震学‌：地震波的传播也可以看作是简谐波的传播。

‌电工学和电子学‌：电路中的正弦电流和电压可以看作是简谐运动。

‌光学‌：光的波动也可以看作是简谐运动。

有趣的是，简谐运动相关知识竟是为制造机械表而发现的，可见科学与发明之间常有奇妙关联。

在擒纵系统里，摆轮中的游丝本质是弹簧，它来回震动带动摆轮做简谐运动，依据胡克定律，摆轮运动周期取决于游丝长度和弹性系数，通过固定这些参数就能让机械表保持相同速度。

摆轮旋转时，借助宝石做的低摩擦圆盘钉驱动擒纵叉，擒纵叉连接擒纵轮，摆轮每旋转一个周期，擒纵轮就旋转一格，擒纵轮还会给擒纵叉推力，实现持续间歇运动。

总之，主弹簧能量经齿轮组释放推动指针与摆轮转动，摆轮靠游丝保持均匀转速反过来校对齿轮组和指针，如此精密结构让机械表得以精准计时，成为继日晷后人类第二种精确计时方法。

不过机械表也面临诸多问题，起初人们需不断给主弹簧上发条，产生 “上发条焦虑”，直到 1770 年瑞士制表大师发明摆陀，可利用人类走路手腕摆动力量自动拧紧弹簧。

后来，因电子产品增多，其磁性影响机械表内部金属结构，导致走时不准。

1920 年，瑞士物理学家夏尔・季晓姆因发现铌钢合金获诺贝尔奖，为制造抗磁机械表提供条件。

总之，人类计时工具从古老的日晷，历经漏壶、香钟等，发展到以简谐运动为原理的摆钟及各类机械表，这一历程见证了人类智慧的不断演进。机械表凭借其精密复杂的结构，尤其是擒纵系统与摆轮的精妙配合，实现了较为精准的计时，成为计时史上的重要里程碑。

尽管它曾面临上发条不便与受磁性干扰等问题，但也通过技术创新逐步克服。而简谐运动这一在机械表发明过程中被深入探究的物理现象，又在声学、地震学、电工学、电子学和光学等诸多领域广泛应用，充分彰显了科学知识的通用性与相互关联性。

它不仅推动了计时工具的进步，更如同一把钥匙，开启了人类探索不同科学领域的大门，持续为人类科技文明的发展注入强大动力，让我们在追求精确与高效的道路上不断迈进，也让我们更加期待未来计时工具以及相关科学技术会带给我们更多的惊喜与突破。

文本来源 @吟游诗人基德 的视频内容