寒假期間去廣東省博物館參觀了清代廣鐘展，其中一件展品是風雨寒暑表式銅座鐘，鐘體以大理石為底座，分兩層。下層有兩塊表盤，左邊的是計時鐘表，以羅馬數字表示。右邊的是天氣儀表，刻度分別為“Stormy”“Much Rain”“Rain”“Change”“Fair”“Set Fair”“Very Dry”，即暴雨、大雨、雨、陰、溫和、晴朗、干燥，反映七種不同的天氣狀況和溫濕度變化。

這個西洋鐘上的天氣儀表是一種結合了氣壓測量和濕度感應的復合氣象儀器，其工作原理可分解如下：

一、核心測量原理

1. 氣壓傳感部分

- 采用水銀氣壓計或空盒氣壓計原理

- 氣壓變化通過U型管水銀柱高度變化或金屬膜盒形變傳導

- 低氣壓（約<1000hPa）對應"Stormy"（暴雨），高氣壓（約>1025hPa）對應"Very Dry"（干燥）

2. 濕度感應部分

- 使用18世紀發明的毛發濕度計（Human Hair Hygrometer）

- 脫脂人發在濕度變化時產生0.5%-2.5%的長度變化

- 通過杠桿放大機構將伸縮量轉化為機械位移

二、機械聯動系統

1. 復合指針機構

- 采用差動齒輪系統（Differential Gear System）
- 氣壓傳感器（主驅動軸）與濕度傳感器（副驅動軸）的位移量在行星齒輪系中合成

- 輸出軸轉角θ= (α×k1) + (β×k2)，其中α為氣壓位移量，β為濕度位移量

2. 刻度校準機制

- 基于18世紀氣象學家霍華德（Luke Howard）的天氣分類法

- 七檔刻度對應特定溫濕度組合：

Stormy : P<990hPa, RH>85% Much Rain : 990-1005hPa, RH 75-85% Rain : 1005-1015hPa, RH 65-75% Change : 1015-1020hPa, RH 55-65% Fair : 1020-1025hPa, RH 45-55% Set Fair : 1025-1030hPa, RH 35-45% Very Dry : >1030hPa, RH<35%

三、熱力學補償設計

1. 溫度誤差修正

- 在氣壓傳感模塊內置雙金屬溫度補償片

- 根據B型雙金屬片特性（α=2.5×10^-6/℃）自動修正熱膨脹誤差

- 濕度模塊使用牛腸衣（Goldbeater's Skin）進行溫度補償

2. 機械滯后處理

- 采用寶石軸承（Ruby Bearings）減少摩擦誤差

- 游絲彈簧（Hairspring）提供0.2N·m/rad的回復力矩

- 系統整體精度可達±3hPa氣壓，±5%相對濕度

四、歷史氣象學依據

該儀表的設計反映了18世紀中葉喬治·哈德利（George Hadley）的大氣環流理論，將氣壓梯度與天氣系統關聯。其刻度范圍對應英格蘭地區（北緯51°）典型氣候特征，干燥刻度（Very Dry）特指夏季反氣旋控制下的天氣型態，而"Set Fair"源自航海術語，指穩定晴朗適合出航的天氣。

這種機械式氣象儀表的預測準確率在60%-70%之間（針對12小時預報），其核心價值在于首次將復雜的氣象要素整合為直觀的生活化指示，體現了啟蒙運動時期科學儀器民用化的典型特征。

來源: 原創