在充滿智能備的現代，可能很難想，就在幾十前，世界上方便的計時備是機械表不同于石英和智能手表它不需要任電池或其他子元件。本我就來講講圖所示的機表的工作原。這里拆開露出的就是芯 —— 機械表的內部它通常被封在金屬殼內本文并不關外殼，而是注里頭的機，畢竟那才這個作品的魂所在。整手表機芯有多部件，光每個部件的業(yè)名稱都會人頭大，但你不用急著它們，我會同樣的顏色注專業(yè)名稱對應圖片上部位。任何個機械表的時系統都是于 7 個主要部分構成我們可以把們排成一行便于展示。7 個部件看起來不算多，它們本身還很多有趣的節(jié)，正是這細節(jié)讓秒針正確的速度轉。讓我們動力源開始探尋這整個妙裝置的工原理。動力純機械設備幾種不同的能方式，最單的方法之，是把能量在彈簧里。們最常見到彈簧是螺線式的。比如你壓下一個簧上所掛著載荷時，它會儲存能量再放開彈簧它就會釋放量并彈起來機械表通常用另一種彈 —— 螺旋形的扭轉彈。當它被扭時，它就存上了能量，放開后，它會向相反方扭轉，并振回自然的松狀態(tài)。在機表中，我們終是想讓指旋轉來指示間，而扭轉簧提供的旋力矩正好是足這一需要一般來說，械表里的發(fā)彈簧有更復的形狀，就下圖中一開的松弛狀態(tài)樣。如果你它懸空并卷它，然后釋開，它會迅地恢復原形你可以看到這個發(fā)條彈非常強，它容易迅速地開成那種復的形狀。為安裝發(fā)條，們須要把它進外殼中，個外殼稱為條盒。一旦入發(fā)條盒內盡管發(fā)條還想展開回原的形狀，但條盒的壁會它固定在盒。這樣，發(fā)就為機械表存住了能量這一點非常要，所以這發(fā)條也被稱“主發(fā)條”但這還沒有事大吉，因現在主發(fā)條經在盒內展到最大的程了，我們沒法從這種狀的彈簧中提能量用來驅機械表。為讓主發(fā)條收回去以儲存多的能量，們需要先在的內側加一發(fā)條軸心。果你近距離察，你會在示中央看到發(fā)條的末端一個小孔。條軸心有一小鉤子，可鉤住這個孔轉動發(fā)條軸，它就會帶主發(fā)條一起轉。在下圖，我們固定條盒，上好條后釋放它固定發(fā)條盒釋放發(fā)條軸可以看到，旦放開發(fā)條心，主發(fā)條帶著軸心一轉回去。但不是我們想的，我們想的是發(fā)條盒動，這樣盒緣的齒輪才帶動表的其部件。為了主發(fā)條能老實實工作，們在提取能時需要固定條軸心，而是固定發(fā)條。固定發(fā)條心，釋放發(fā)盒馬上我們會知道如何實際中運用，不過現在我們先假設條軸心是緊固定住的，發(fā)條會帶動條盒，也就上圖展示的樣。然后，們把主發(fā)條發(fā)條盒放一，來看看另兩個能讓機表工作得更靠的小玩意首先回顧一發(fā)條在松弛的狀態(tài)。附主發(fā)條上的屬條向外側供了額外的力。這個金條很想彈回線的形狀，以它推著發(fā)盒的壁，形一個巨大的擦力來維持屬端的發(fā)條對盒壁不動這樣，當發(fā)軸心轉動發(fā)內端時，發(fā)的外端是被定住的。另，如果我們停地轉動發(fā)，當張力超它的最大彈范圍時，摩力會被克服主發(fā)條的外會貼著盒壁內滑動，這到了一種防部件破裂的全保障作用我們已經看，主發(fā)條在弛狀態(tài)下呈個 S 形，它的局部曲是不斷變化，這有助于發(fā)條在盒內衡不同部位張力。注意繞轉后發(fā)條內端的曲率徑比外端更。如果自然弛的發(fā)條是個直直的金條，那么繞后，發(fā)條內比外端彎曲更厲害。S 形發(fā)條的外則會具有和端相似的張，因為它想復的 S 形中那一段是相反方向彎的。為了保主發(fā)條，防灰塵進入，們用一個蓋將發(fā)條盒蓋。我們已經功讓一些部能夠轉起來，有人會天地想，我們下來只用在條盒上加上個指針就能時了。想啥，照這種方得到的只會下圖這樣，壓根不能工。發(fā)現了嗎指針轉得太了，它在轉圈后就耗光發(fā)條盒中主條所儲存的量，這種裝不能可靠地時。所以顯，我們還有多地方需要進，如果我想要機械表一次發(fā)條后續(xù)工作 40 個小時，我們需要分針這期間轉 40 圈。此外，秒針還得上 40 × 60 = 2400 圈。我們需要到一個方法將發(fā)條盒短間的轉動轉成指針持久轉動，這就要齒輪了。輪齒輪可以在兩個轉軸來改變轉速你可以觀察圖中每個齒上的小黑點感受這一作。圖中較大紅色齒輪帶較小的黃色輪，使得黃齒輪花更少時間就能轉圈。對于兩匹配的齒輪它們的齒數定了轉速關。對于一個輪上的每一齒來說，它與另一個齒上的齒隙相合，所以在個單位時間，兩個齒輪過的齒數是樣的。如果個齒輪的齒不一樣，那們轉一圈的間就會不一。下圖中紅是驅動齒輪黃色是從動輪，改變兩齒輪的齒數，就可以看齒數比是如影響黃色齒的轉速的。些齒輪的設目的是相互合，所以齒比就等于齒半徑之比。驅動齒輪的數更多時，動齒輪轉得快。利用這性質，我們以使秒針的速達到發(fā)條轉速的數倍現在我們來慮一下我們要將轉速提多少。上一發(fā)條可以使條盒轉接近 7 圈，但在這段時間里我們想讓秒轉 2400 圈。我們需要讓齒數比或者說齒輪徑之比大約 343:1。讓我們看如果實際中出這樣的齒會是什么樣。你可以看，這樣巨大半徑比是荒的。為了讓色齒輪能裝一個大小合的手表中，色齒輪會變很小，而且個齒輪的齒會變得微小脆弱。所以機械表采用一套方案，使用一系列對的齒輪，一對都能在定程度上增轉速。以四齒輪為例，意看大部分軸上有兩個輪：第一個子是發(fā)條盒它驅動第二輪，再驅動三個輪，最驅動第四個。注意到每大齒輪驅動齒輪，所以語中專門用 pinion 來稱呼這個小齒輪。小輪和在下一中的大齒輪裝在同一個軸上，所以們可以不斷增加每個軸轉速。這種法有個顯著優(yōu)點 —— 可以讓整個構變得更小而且可以利中介齒輪以低的轉速驅分針和時針在我們結束輪這一章節(jié)，再來注意下齒的形狀大多數大型械使用的是開線形狀的，但機械表常使用擺線狀的齒。拽一根貼在圓的繩子形成開線，它上每一點的法都與生成圓切，符合齒上力的傳動律的需求。的形狀從齒圓 (dedendum circle) 開始，再到作為漸開生成圓的基 (base circle)，然后漸開線穿過作兩齒輪嚙合效圓的節(jié)圓 (pitch circle)，最后到齒冠圓 (addendum circle) 結束。而擺線采另一種構造式：一個圓另一個圓的面滾動形成線 | 圖源：tec-science擺線形使得合點移動得加順滑，且合點的法線指向節(jié)點 C，這能降低面壓力，減磨損，但這加工精度的求很高 | 圖源：tec-science讓我們回歸正題，轉發(fā)條軸心上主發(fā)條，看加上齒輪組機械表工作怎么樣：成了！我們已實現了發(fā)條轉一圈時秒轉數圈的目，但針的轉完全不可控我們需要找一個控制主條能量釋放率的方法，就要請出擒機構了。擒機構擒縱機由兩個部分成 —— 擒縱輪和擒縱。注意擒縱齒的特殊形，它與我們前見到的齒有很大不同它的頂部有個形狀規(guī)則齒輪，這用接收傳動過的力以驅動個擒縱輪。縱叉本身由屬制成，但頂端的兩個紅色透明部是由人造紅石制成的。種材料不僅分堅硬耐磨而且與鋼有低的摩擦系。從這兩個件互相工作方式，你就看出為什么兩個性質很要了。擒縱想按紅色箭指示的方向轉，而擒縱會阻礙這個動。當我們后擺動擒縱時，我們就擒縱輪短暫“縱開”了縛，然后又擒縱叉“擒”。我們稍再來詳細看它們交互工的方式?，F，這種擒縱構能讓我們過擺動擒縱控制擒縱輪轉動。讓我上好發(fā)條，后手動擺動縱叉，看看個機構是如與裝置的其部分配合的主發(fā)條的彈帶動了擒縱，但擒縱叉允許它在很的時間內運。在齒輪減的作用下，條盒的轉動乎不可見。而，如果你察第四個齒上的指針，就能看到它著擒縱叉的動而平緩地動。這個小的計時裝置要完成了，余的最后一是怎么讓擒叉自動地擺。然而，為讓表準確地時，這個擺必須有適當節(jié)奏。這就引入機械表動的心臟 —— 擺輪組。擺輪組讓我先回顧下一始展示過的轉彈簧，當扭動它，它開始振蕩，一會才會停來。我們可通過調整兩參數控制這振動周期。一個是彈簧勁度系數，要取決于彈的寬度、厚、長度和組材料。第二是質量和質分布，或者準確地說，彈簧所轉動體的轉動慣。質量越大物質離轉軸遠，轉動慣就越大。通仔細地調節(jié)些參數，我可以讓這個統達到想要振動速率。轉彈簧振動周期性，正可以用來作機械表準確時的依據。械表中的擺組是由附在游絲的擺輪成的，可以到機械表中輪的振動頻相當地高。擺輪底部有一個淺紅色明的寶石，為車芯。雖它很小，但重要 —— 當擺輪轉起時，這個車會擊打擒縱的另一端，擒縱叉滴答答地擺起來讓我們先來看擺輪是怎與其他部件起運作的。湊近看看到發(fā)生了什么當擺輪帶著芯擺過來時車芯會撞擊縱叉，從而開擒縱輪。旦縱開，由發(fā)條驅動的縱輪會推動縱叉，擒縱又會通過車反過來推動擺輪本身。使得擺輪獲了一些能量使它在之后段時間不會下來 —— 這相當于給秋千的人一推力。當擺擺回來時，會執(zhí)行相同操作，只不是在另一個向完成的。也許還注意了擺輪上的盤有一個凹，它與擒縱末端的小角間有一個精的像舞蹈一的運動模式這些部分確了擒縱叉只在適當的時擺至一邊 —— 這是一種安全機制，以防止手表搖晃或掉落被鎖死。一擒縱叉縱開縱輪，這個子就得迅速開始轉動。就是為什么輪組上打了 —— 這么做可以減少動慣量，使發(fā)條盒可以快地驅動它。還有一個重要的地方齒輪組不只放大齒輪的速，還減小作用在擺輪上的力。發(fā)盒本身會有大的轉動扭，但到擒縱上，這個扭極大地減小，這防止了縱輪過于猛地推動擒縱和擺輪。讓們最后一次看到目前為所搭建的整機構。我現把它調到正的運轉速度在這個表的動中，擺輪每秒中做了 4 次完整的往復擺動，個循環(huán)各擊兩次擒縱叉所以每秒總擊打 8 次，每小時擊 28800 次。當然，不同手表也會有不同的率，但它們秒針都在每鐘完成數次小的轉動，使機械表的針運動變得分平滑。理上，我們這搭建好的所零件已經足使一個手表轉，但我們缺了億些細。更重要的，我們已經成的這些零全是放置在氣里的，所下一期，我將把它們組成一個完整手表機芯。文來自微信眾號：中科物理所 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻譯：牧羊，審校藏?