在充滿智設備的現(xiàn)，你可能難想象，在幾十年，世界上方便的計設備是機表。不同石英表和能手表，不需要任電池或其電子元件本文我就講講下圖示的機械的工作原。這里拆所露出的是機芯 —— 機械表的內(nèi)部，通常被封在金屬殼。本文并關心外殼而是關注頭的機芯畢竟那才這個作品靈魂所在整個手表芯有很多件，光是個部件的業(yè)名稱都讓人頭大但是你不急著記它，我會用樣的顏色注專業(yè)名和對應圖上的部位任何一個械表的計系統(tǒng)都是于 7 個主要部分成，我們以把它們成一行以于展示。7 個部件看起來不算，但它們身還有很有趣的細，正是這細節(jié)讓秒以正確的度旋轉(zhuǎn)。我們從動源開始，尋這整個妙裝置的作原理。力源純機設備有幾不同的供方式，最單的方法一，是把量存在彈里。我們常見到的簧是螺線式的。比當你壓下個彈簧上掛著的載時，它就儲存能量再放開彈，它就會放能量并起來。機表通常使另一種彈 —— 螺旋形的扭彈簧。當被扭轉(zhuǎn)時它就存儲了能量，放開后，就會向相方向扭轉(zhuǎn)并振蕩回然的松弛態(tài)。在機表中，我最終是想指針旋轉(zhuǎn)指示時間而扭轉(zhuǎn)彈提供的旋力矩正好滿足這一要。一般說，機械里的發(fā)條簧有更復的形狀，像下圖中開始的松狀態(tài)那樣如果你將懸空并卷它，然后放開，它迅速地恢原形。你以看到，個發(fā)條彈非常強，很容易迅地展開成種復雜的狀。為了裝發(fā)條，們須要把放進外殼，這個外稱為發(fā)條。一旦放發(fā)條盒內(nèi)盡管發(fā)條是想展開原來的形，但發(fā)條的壁會將固定在盒。這樣，條就為機表儲存住能量。這點非常重，所以這發(fā)條也被作“主發(fā)”。但這沒有萬事吉，因為在主發(fā)條經(jīng)在盒內(nèi)開到最大程度了，們沒辦法這種狀態(tài)彈簧中提能量用來動機械表為了讓主條收縮回以儲存更的能量，們需要先它的內(nèi)側(cè)一個發(fā)條心。如果近距離觀，你會在示中央看主發(fā)條的端有一個孔。發(fā)條心有一個鉤子，可鉤住這個。轉(zhuǎn)動發(fā)軸心，它會帶動主條一起繞。在下圖，我們固發(fā)條盒，好發(fā)條后放它。固發(fā)條盒，放發(fā)條軸可以看到一旦放開條軸心，發(fā)條會帶軸心一起回去。但不是我們要的，我想要的是條盒轉(zhuǎn)動這樣盒邊的齒輪才帶動表的他部件。了讓主發(fā)能老老實工作，我在提取能時需要固發(fā)條軸心而不是固發(fā)條盒。定發(fā)條軸，釋放發(fā)盒馬上我就會知道何在實際運用它，過現(xiàn)在，們先假設條軸心是緊固定住，主發(fā)條帶動發(fā)條，也就是圖展示的樣。然后我們把主條和發(fā)條放一放，看看另外個能讓機表工作得可靠的小意。首先顧一下發(fā)在松弛時狀態(tài)。附主發(fā)條上金屬條向側(cè)提供了外的張力這個金屬很想彈回線的形狀所以它推發(fā)條盒的，形成一巨大的摩力來維持屬端的發(fā)相對盒壁動。這樣當發(fā)條軸轉(zhuǎn)動發(fā)條端時，發(fā)的外端是固定住的另外，如我們不停轉(zhuǎn)動發(fā)條當張力超它的最大性范圍時摩擦力會克服，主條的外端貼著盒壁內(nèi)滑動，起到了一防止部件裂的安全障作用。們已經(jīng)看，主發(fā)條松弛狀態(tài)呈一個 S 形，它的局部曲率不斷變化，這有助主發(fā)條在內(nèi)平衡不部位的張。注意，轉(zhuǎn)后發(fā)條內(nèi)端的曲半徑比外更小。如自然松弛發(fā)條是一直直的金條，那么轉(zhuǎn)后，發(fā)內(nèi)端比外彎曲得更害。S 形發(fā)條的外則會具有內(nèi)端相似張力，因它想恢復 S 形中那一段是相反方向曲的。為保護主發(fā)，防止灰進入，我用一個蓋將發(fā)條盒上。我們經(jīng)成功讓些部件能轉(zhuǎn)起來了有人會天地想，我接下來只在發(fā)條盒加上一個針就能計了。想啥，照這種法得到的會是下圖樣，它壓不能工作發(fā)現(xiàn)了嗎指針轉(zhuǎn)得快了，它轉(zhuǎn)幾圈后耗光了發(fā)盒中主發(fā)所儲存的量，這種置不能可地計時。以顯然，們還有很地方需要進，如果們想要機表上一次條后連續(xù)作 40 個小時，們需要分在這期間 40 圈。此外，針還得轉(zhuǎn) 40 × 60 = 2400 圈。我們需要找到個方法，發(fā)條盒短間的轉(zhuǎn)動換成指針久的轉(zhuǎn)動這就需要輪了。齒齒輪可以在兩個轉(zhuǎn)間來改變速，你可觀察下圖每個齒輪的小黑點感受這一用。圖中大的紅色輪帶動較的黃色齒，使得黃齒輪花更的時間就轉(zhuǎn)一圈。于兩個匹的齒輪，們的齒數(shù)定了轉(zhuǎn)速系。對于個齒輪上每一顆齒說，它要另一個齒上的齒隙貼合，所在一個單時間內(nèi)，個齒輪轉(zhuǎn)的齒數(shù)是樣的。如兩個齒輪齒數(shù)不一，那它們一圈的時就會不一。下圖中色是驅(qū)動輪，黃色從動齒輪改變兩個輪的齒數(shù)，就可以到齒數(shù)比如何影響色齒輪的速的。這齒輪的設目的是相嚙合，所齒數(shù)比就于齒輪半之比。當動齒輪的數(shù)更多時從動齒輪得更快。用這一性，我們可使秒針的速達到發(fā)盒轉(zhuǎn)速的倍?，F(xiàn)在們來考慮下我們需將轉(zhuǎn)速提多少。上次發(fā)條可使發(fā)條盒接近 7 圈，但在段時間里我們想讓針轉(zhuǎn) 2400 圈。我們需要齒數(shù)比，者說齒輪徑之比大為 343:1。讓我們看看如實際中造這樣的齒會是什么的。你可看到，這巨大的半比是荒謬。為了讓色齒輪能進一個大合理的手中，黃色輪會變得小，而且個齒輪的也會變得小而脆弱所以，機表采用另套方案，使用一系成對的齒，每一對能在一定度上增加速。以四齒輪為例注意看大分轉(zhuǎn)軸上兩個齒輪第一個輪是發(fā)條盒它驅(qū)動第個輪，再動第三個，最后驅(qū)第四個輪注意到每大齒輪驅(qū)小齒輪，以英語中門用 pinion 來稱呼這小齒輪。齒輪和在一對中的齒輪安裝同一個轉(zhuǎn)上，所以們可以不地增加每軸的轉(zhuǎn)速這種方法個顯著的點 —— 可以讓整機構(gòu)變得小，而且以利用中齒輪以更的轉(zhuǎn)速驅(qū)分針和時。在我們束齒輪這章節(jié)前，來注意一齒的形狀大多數(shù)大機械使用是漸開線狀的齒，機械表通使用擺線狀的齒。下一根貼圓上的繩形成漸開，它上面一點的法都與生成相切，符齒輪上力傳動規(guī)律需求。齒形狀從齒圓 (dedendum circle) 開始，再作為漸開生成圓的圓 (base circle)，然后漸線穿過作兩齒輪嚙等效圓的圓 (pitch circle)，最后到齒冠圓 (addendum circle) 結(jié)束。而擺線采另一種構(gòu)方式：一圓在另一圓的表面動形成擺 | 圖源：tec-science擺線形使得嚙合移動得更順滑，且合點的法恒指向節(jié) C，這能降低表面力，減少損，但這加工精度要求很高 | 圖源：tec-science讓我們回歸正題，動發(fā)條軸上緊主發(fā)，看看加齒輪組后械表工作怎么樣：功了！我已經(jīng)實現(xiàn)發(fā)條盒轉(zhuǎn)圈時秒針數(shù)圈的目，但針的速完全不控。我們要找到一控制主發(fā)能量釋放率的方法這就要請擒縱機構(gòu)。擒縱機擒縱機構(gòu)兩個部分成 —— 擒縱輪和縱叉。注擒縱輪齒特殊形狀它與我們前見到的輪有很大同。它的部有一個狀規(guī)則的輪，這用接收傳動來的力以動整個擒輪。擒縱本身由金制成，但頂端的兩淺紅色透部分是由造紅寶石成的。這材料不僅分堅硬耐，而且與有很低的擦系數(shù)。這兩個部互相工作方式，你能看出為么這兩個質(zhì)很重要。擒縱輪按紅色箭指示的方旋轉(zhuǎn)，而縱叉會阻這個運動當我們前擺動擒縱時，我們讓擒縱輪暫地“縱”了束縛然后又被縱叉“擒”。我們后再來詳看看它們互工作的式?，F(xiàn)在這種擒縱構(gòu)能讓我通過擺動縱叉控制縱輪的轉(zhuǎn)。讓我們好發(fā)條，后手動擺擒縱叉，看這個機是如何與置的其他分配合的主發(fā)條的力帶動了縱輪，但縱叉只允它在很短時間內(nèi)運。在齒輪速的作用，發(fā)條盒轉(zhuǎn)動幾乎可見。然，如果你察第四個輪上的指，你就能到它隨著縱叉的擺而平緩地動。這個小的計時置快要完了，剩余最后一步怎么讓擒叉自動地動。然而為了讓表確地計時這個擺動須有適當節(jié)奏。這要引入機表跳動的臟 —— 擺輪組。輪組讓我先回顧下開始展示的扭轉(zhuǎn)彈，當你扭它，它會始振蕩，一會才會下來。我可以通過整兩個參控制這個動周期。一個是彈的勁度系，主要取于彈簧的度、厚度長度和組材料。第個是質(zhì)量質(zhì)量分布或者更準地說，是簧所轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)動量。質(zhì)量大，物質(zhì)轉(zhuǎn)軸越遠轉(zhuǎn)動慣量越大。通仔細地調(diào)這些參數(shù)我們可以這個系統(tǒng)到想要的動速率。轉(zhuǎn)彈簧振的周期性正好可以來作為機表準確計的依據(jù)。械表中的輪組是由在上游絲擺輪構(gòu)成，可以看機械表中輪的振動率相當?shù)?。在擺輪部有另一淺紅色透的寶石，為車芯。然它很小但很重要 —— 當擺輪轉(zhuǎn)起來，這個車會擊打擒叉的另一，讓擒縱滴答滴答擺起來。我們先來看擺輪是樣與其他件一起運的。再湊看看到底生了什么當擺輪帶車芯擺過時，車芯撞擊擒縱，從而縱擒縱輪。旦縱開，主發(fā)條驅(qū)的擒縱輪推動擒縱，擒縱叉會通過車反過來推回擺輪本。這使得輪獲得了些能量，它在之后段時間不停下來 —— 這相當于給蕩秋的人一個力。當擺擺回來時它會執(zhí)行同的操作只不過是另一個方完成的。也許還注到了擺輪的圓盤有個凹口，與擒縱叉端的小角間有一個妙的像舞一樣的運模式。這部分確保擒縱叉只在適當?shù)?候擺至一 —— 這是一種安機制，可防止手表搖晃或掉時被鎖死一旦擒縱縱開擒縱，這個輪就得迅速?開始轉(zhuǎn)動這就是為么齒輪組打了孔 —— 這么做可以減少動慣量，得發(fā)條盒以更快地動它們。有一個很要的地方齒輪組不是放大齒的轉(zhuǎn)速，減小了作在擺輪組的力。發(fā)盒本身會很大的轉(zhuǎn)扭矩，但擒縱輪上這個扭矩大地減小，這防止擒縱輪過猛烈地推擒縱叉和輪。讓我最后一次看到目前止所搭建整個機構(gòu)我現(xiàn)在把調(diào)到正常運轉(zhuǎn)速度在這個表運動中，輪在每秒做了 4 次完整的復擺動，個循環(huán)各打兩次擒叉，所以秒總共擊 8 次，每小時擊 28800 次。當然，不同表也許會不同的速，但它們秒針都在秒鐘完成次微小的動，以使械表的指運動變得分平滑。論上，我這里搭建的所有零已經(jīng)足夠一個手表轉(zhuǎn)，但我還缺了億細節(jié)。更要的是，們已經(jīng)完的這些零全是放置空氣里的所以下一，我們將它們組裝一個完整手表機芯本文來自信公眾號中科院物所 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻譯：羊，審校藏?