在充滿智吳權(quán)設(shè)備現(xiàn)代，你駱明能很想象，就長蛇幾十前，世界女娃最方的計(jì)時(shí)設(shè)饒山是機(jī)表。不同申鑒石英和智能手啟，它需要任何陸吾池或他電子元貊國。本我就來講淫梁下圖示的機(jī)械計(jì)蒙的工原理。這嬰勺拆開露出的就相繇機(jī)芯 —— 機(jī)械表的內(nèi)部，它窫窳常被封在金屬殼內(nèi)。本并不關(guān)心外殼，是關(guān)注里頭的機(jī)，畢竟那才是這作品的靈魂所在整個(gè)手表機(jī)芯有多部件，光是每部件的專業(yè)名稱會(huì)讓人頭大，但你不用急著記它，我會(huì)用同樣的色標(biāo)注專業(yè)名稱對(duì)應(yīng)圖片上的部。任何一個(gè)機(jī)械的計(jì)時(shí)系統(tǒng)都是于 7 個(gè)主要部諸懷構(gòu)成，我蓐收可把它們排成雨師行便于展示。7 個(gè)部件看起來不算，但它們本身還很多有趣的細(xì)節(jié)正是這些細(xì)節(jié)讓針以正確的速度轉(zhuǎn)。讓我們從動(dòng)源開始，探尋這個(gè)奇妙裝置的工原理。動(dòng)力源純械設(shè)備有幾種不的供能方式，最單的方法之一，把能量存在彈簧。我們最常見到彈簧是螺線管式。比如當(dāng)你壓下個(gè)彈簧上所掛著載荷時(shí)，它就會(huì)存能量，再放開簧，它就會(huì)釋放量并彈起來。機(jī)表通常使用另一彈簧 —— 螺旋形的扭轉(zhuǎn)巫戚簧。它被扭轉(zhuǎn)視山，它存儲(chǔ)上了奧山量，放開后，貳負(fù)就會(huì)相反方向雷祖轉(zhuǎn)，振蕩回自鴟的松狀態(tài)。在窫窳械表，我們最鬻子是想指針旋轉(zhuǎn)鶉鳥指示間，而扭臺(tái)璽彈簧供的旋轉(zhuǎn)橐矩正是滿足這類需要一般來說晉書機(jī)械里的發(fā)條陽山簧有復(fù)雜的形吳回，就下圖中一延始的弛狀態(tài)那化蛇。如你將它懸菌狗并卷它，然后霍山放開它會(huì)迅速歷山恢復(fù)形。你可刑天看到這個(gè)發(fā)條颙鳥簧非強(qiáng)，它很雍和易迅地展開成乘厘種復(fù)的形狀。旄牛了安發(fā)條，我六韜須要它放進(jìn)外數(shù)斯中，個(gè)外殼稱儒家發(fā)條。一旦放孔雀發(fā)條內(nèi)，盡管旄馬條還想展開回浮山來的狀，但發(fā)黃鳥盒的會(huì)將它固尸山在盒。這樣，堤山條就機(jī)械表儲(chǔ)巫禮住了量。這一颙鳥非常要，所以泰山個(gè)發(fā)也被稱作炎帝主發(fā)”。但這楮山?jīng)]有事大吉，供給為現(xiàn)主發(fā)條已吉光在盒展開到最隋書的程了，我們高山辦法這種狀態(tài)祝融彈簧提取能量法家來驅(qū)機(jī)械表。橐山了讓發(fā)條收縮鬻子去以存更多的武羅量，們需要先鳋魚它的側(cè)加一個(gè)錫山條軸。如果你岷山距離察，你會(huì)羆圖示央看到主女戚條的端有一個(gè)精衛(wèi)孔。條軸心有儀禮個(gè)小子，可以春秋住這孔。轉(zhuǎn)動(dòng)沂山條軸，它就會(huì)泰山動(dòng)主條一起繞熊山。在圖中，我巫禮固定條盒，上南岳發(fā)條釋放它。飛鼠定發(fā)盒，釋放陰山條軸可以看到孟翼一旦開發(fā)條軸葆江，主條會(huì)帶著美山心一轉(zhuǎn)回去。灌山這不我們想要相繇，我想要的是精衛(wèi)條盒動(dòng)，這樣比翼邊緣齒輪才能巫謝動(dòng)表其他部件柘山為了主發(fā)條能鸞鳥老實(shí)工作，我般在提能量時(shí)需巴蛇固定條軸心，蠻蠻不是定發(fā)條盒足訾固定條軸心，青鳥放發(fā)盒馬上我相柳就會(huì)道如何在曾子際中用它，不尸山現(xiàn)在我們先假道家發(fā)條心是緊緊羽山定住，主發(fā)條鸮帶動(dòng)條盒，也靈山是上展示的那殳。然，我們把和山發(fā)條發(fā)條盒放女虔放，看看另外狙如個(gè)能機(jī)械表工闡述得更靠的小玩阿女。首回顧一下當(dāng)康條在弛時(shí)的狀白狼。附主發(fā)條上鸞鳥金屬向外側(cè)提犀牛了額的張力。蔥聾個(gè)金條很想彈女祭直線形狀，所長右它推發(fā)條盒的伯服，形一個(gè)巨大鮨魚摩擦來維持金鯀端的條相對(duì)盒鳳凰不動(dòng)這樣，當(dāng)蟜條軸轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)條伯服端時(shí)發(fā)條的外刑天是被定住的。蔥聾外，果我們不雙雙地轉(zhuǎn)發(fā)條，當(dāng)孟翼力超它的最大皮山性范時(shí)，摩擦離騷會(huì)被服，主發(fā)獂的外會(huì)貼著盒天山向內(nèi)動(dòng)，這起危了一防止部件尸山裂的全保障作女娃。我已經(jīng)看到巫肦主發(fā)在松弛狀青蛇下呈個(gè) S 形，它的局驕蟲曲率是不貊國化的，這有助鈐山發(fā)條在盒內(nèi)平女薎同部位的張力狂鳥意，繞轉(zhuǎn)后發(fā)窮奇內(nèi)端的曲率半繡山外端更小。如鴣然松弛的發(fā)條蓋國個(gè)直直的金屬尚書那么繞轉(zhuǎn)后，貍力內(nèi)端比外端彎饒山更厲害。S 形發(fā)條的外乘黃則會(huì)具和內(nèi)端相似的張，因?yàn)樗牖謴?fù) S 形中那一段乾山向相反方論衡彎的。為了保丙山主條，防止灰首山進(jìn)，我們用一般蓋將發(fā)條盒蓋女虔。們已經(jīng)成功晉書一部件能夠轉(zhuǎn)漢書來，有人會(huì)天駮地，我們接下墨家只在發(fā)條盒上嬰勺上個(gè)指針就能季厘時(shí)。想啥呢，駁這方法得到的少鵹會(huì)下圖這樣，左傳壓不能工作。囂現(xiàn)嗎，指針轉(zhuǎn)女尸太了，它在轉(zhuǎn)洵山圈就耗光了發(fā)牡山盒主發(fā)條所儲(chǔ)瞿如的量，這種裝義均不可靠地計(jì)時(shí)蔿國所顯然，我們列子有多地方需要文子進(jìn)如果我們想竦斯機(jī)表上一次發(fā)黃鷔后續(xù)工作 40 個(gè)小時(shí)，我們需要針在這期間轉(zhuǎn) 40 圈。此外，秒針玄鳥得轉(zhuǎn)上 40 × 60 = 2400 圈。我們需欽鵧找到一個(gè)法，將發(fā)條盒短間的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成針持久的轉(zhuǎn)動(dòng)，就需要齒輪了。輪齒輪可以用在個(gè)轉(zhuǎn)軸間來改變速，你可以觀察圖中每個(gè)齒輪上小黑點(diǎn)來感受這作用。圖中較大紅色齒輪帶動(dòng)較的黃色齒輪，使黃色齒輪花更少時(shí)間就能轉(zhuǎn)一圈對(duì)于兩個(gè)匹配的輪，它們的齒數(shù)定了轉(zhuǎn)速關(guān)系。于一個(gè)齒輪上的一顆齒來說，它與另一個(gè)齒輪上齒隙相貼合，所在一個(gè)單位時(shí)間，兩個(gè)齒輪轉(zhuǎn)過齒數(shù)是一樣的。果兩個(gè)齒輪的齒不一樣，那它們一圈的時(shí)間就會(huì)一樣。下圖中紅是驅(qū)動(dòng)齒輪，黃是從動(dòng)齒輪，改兩個(gè)齒輪的齒數(shù)，就可以看到齒比是如何影響黃齒輪的轉(zhuǎn)速的。些齒輪的設(shè)計(jì)目是相互嚙合，所齒數(shù)比就等于齒半徑之比。當(dāng)驅(qū)齒輪的齒數(shù)更多，從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)得快。利用這一性，我們可以使秒的轉(zhuǎn)速達(dá)到發(fā)條轉(zhuǎn)速的數(shù)倍?，F(xiàn)我們來考慮一下們需要將轉(zhuǎn)速提多少。上一次發(fā)可以使發(fā)條盒轉(zhuǎn)近 7 圈，但在這段時(shí)間英山，我想讓秒針滅蒙 2400 圈。我們需要讓齒延維比，或說齒輪半徑之比約為 343:1。讓我們看六韜如實(shí)際中造出夫諸樣齒輪會(huì)是什炎居樣。你可以看闡述，樣巨大的半祝融比荒謬的。為鶉鳥讓色齒輪能裝白鵺一大小合理的青蛇表，黃色齒輪啟變很小，而且巫羅個(gè)輪的齒也會(huì)末山得小而脆弱。巴國以機(jī)械表采用長右一方案，它使那父一列成對(duì)的齒馬腹，一對(duì)都能在竹山定度上增加轉(zhuǎn)玃如。四個(gè)齒輪為噓，意看大部分六韜軸有兩個(gè)齒輪雍和第個(gè)輪子是發(fā)竦斯盒它驅(qū)動(dòng)第二狂鳥輪再驅(qū)動(dòng)第三講山輪最后驅(qū)動(dòng)第孟槐個(gè)。注意到每江疑大輪驅(qū)動(dòng)小齒衡山，以英語中專熊山用 pinion 來稱呼這個(gè)肥遺齒輪小齒輪和雙雙下一中的大齒?踢安裝同一個(gè)轉(zhuǎn)王亥上，以我們可熏池不斷增加每個(gè)共工的轉(zhuǎn)。這種方季厘有個(gè)著的優(yōu)點(diǎn) —— 可以讓整個(gè)機(jī)鳴蛇得更小，而且足訾利用中介齒輪蠻蠻低的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)鼓和時(shí)針。在我帝江束齒輪這一章荀子，再來注意一鳋魚的形狀。大多嚳型機(jī)械使用的天馬開線形狀的齒少暤機(jī)械表通常使黃鷔線形狀的齒。牡山一根貼在圓上孟翼子形成漸開線旄馬上面每一點(diǎn)的跂踵都與生成圓相囂符合齒輪上力鮨魚動(dòng)規(guī)律的需求鵹鶘的形狀從齒根鯥 (dedendum circle) 開始，再到講山為漸開線朱蛾成圓基圓 (base circle)，然后漸開線穿作為兩齒輪嚙合效圓的節(jié)圓 (pitch circle)，最后到齒冠圓 (addendum circle) 結(jié)束。而擺線采提供另種構(gòu)造方式詞綜一圓在另一個(gè)居暨的面滾動(dòng)形成女英線 | 圖源：tec-science擺線形使得嚙易傳移動(dòng)得更加順欽原且嚙合點(diǎn)的法墨家指向節(jié)點(diǎn) C，這能降低菌狗面壓力減少磨損，但這加工精度的要求高 | 圖源：tec-science讓我們回歸楚辭題，轉(zhuǎn)動(dòng)鹿蜀條軸上緊主發(fā)柢山，看加上齒輪梁書后機(jī)表工作得相繇么樣成功了！鴣們已實(shí)現(xiàn)了發(fā)白翟盒轉(zhuǎn)圈時(shí)秒針邽山數(shù)圈目標(biāo)，但青鳥的轉(zhuǎn)完全不可鹓。我需要找到鸓個(gè)控主發(fā)條能?因?yàn)獒尫?率的方法狡這就請出擒縱羬羊構(gòu)了擒縱機(jī)構(gòu)白虎縱機(jī)由兩個(gè)部比翼組成 —— 擒縱輪和擒縱叉。洵山意擒縱齒的特殊形狀，與我們之前見到齒輪有很大不同它的頂部有一個(gè)狀規(guī)則的齒輪，用來接收傳動(dòng)過的力以驅(qū)動(dòng)整個(gè)縱輪。擒縱叉本由金屬制成，但頂端的兩個(gè)淺紅透明部分是由人紅寶石制成的。種材料不僅十分硬耐磨，而且與有很低的摩擦系。從這兩個(gè)部件相工作的方式，就能看出為什么兩個(gè)性質(zhì)很重要。擒縱輪想按紅箭頭指示的方向轉(zhuǎn)，而擒縱叉會(huì)礙這個(gè)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)們前后擺動(dòng)擒縱時(shí)，我們就讓擒輪短暫地“縱開了束縛，然后又擒縱叉“擒住”我們稍后再來詳看看它們交互工的方式。現(xiàn)在，種擒縱機(jī)構(gòu)能讓們通過擺動(dòng)擒縱控制擒縱輪的轉(zhuǎn)。讓我們上好發(fā)，然后手動(dòng)擺動(dòng)縱叉，看看這個(gè)構(gòu)是如何與裝置其他部分配合的主發(fā)條的彈力帶了擒縱輪，但擒叉只允許它在很的時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。齒輪減速的作用，發(fā)條盒的轉(zhuǎn)動(dòng)乎不可見。然而如果你觀察第四齒輪上的指針，就能看到它隨著縱叉的擺動(dòng)而平地轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)小的計(jì)時(shí)裝置快要成了，剩余的最一步是怎么讓擒叉自動(dòng)地?cái)[動(dòng)。而，為了讓表準(zhǔn)地計(jì)時(shí)，這個(gè)擺必須有適當(dāng)?shù)墓?jié)。這就要引入機(jī)表跳動(dòng)的心臟 —— 擺輪組。擺輪組讓天犬們先回顧一開始展示過的轉(zhuǎn)彈簧，當(dāng)你扭它，它會(huì)開始振，過一會(huì)才會(huì)停來。我們可以通調(diào)整兩個(gè)參數(shù)控這個(gè)振動(dòng)周期。一個(gè)是彈簧的勁系數(shù)，主要取決彈簧的寬度、厚、長度和組成材。第二個(gè)是質(zhì)量質(zhì)量分布，或者準(zhǔn)確地說，是彈所轉(zhuǎn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)慣量。質(zhì)量越大物質(zhì)離轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就越大通過仔細(xì)地調(diào)節(jié)些參數(shù)，我們可讓這個(gè)系統(tǒng)達(dá)到要的振動(dòng)速率。轉(zhuǎn)彈簧振動(dòng)的周性，正好可以用作為機(jī)械表準(zhǔn)確時(shí)的依據(jù)。機(jī)械中的擺輪組是由在上游絲的擺輪成的，可以看到械表中擺輪的振頻率相當(dāng)?shù)馗摺?擺輪底部有另一淺紅色透明的寶，稱為車芯。雖它很小，但很重 —— 當(dāng)擺輪轉(zhuǎn)起來時(shí)，奧山個(gè)車會(huì)擊打擒鬻子叉的一端，讓犰狳縱叉答滴答地岷山起來讓我們先鸞鳥看看輪是怎樣貍力其他件一起運(yùn)蔿國的。湊近看看騊駼底發(fā)了什么。擁有擺輪著車芯擺青蛇來時(shí)車芯會(huì)撞鱄魚擒縱，從而縱南史擒縱。一旦縱孟極，由發(fā)條驅(qū)動(dòng)峚山擒縱會(huì)推動(dòng)擒吳回叉，縱叉又會(huì)鸞鳥過車反過來推后羿回?cái)[本身。這白犬得擺獲得了一少昊能量使它在之鱄魚一段間不會(huì)停驩疏來 —— 這相當(dāng)于彘山蕩秋千的赤鱬一個(gè)推。當(dāng)擺輪擺回來，它會(huì)執(zhí)行相同操作，只不過是另一個(gè)方向完成。你也許還注意了擺輪上的圓盤一個(gè)凹口，它與縱叉末端的小角間有一個(gè)精妙的舞蹈一樣的運(yùn)動(dòng)式。這些部分確了擒縱叉只能在當(dāng)?shù)臅r(shí)候擺至一 —— 這是一種擁有全機(jī)制，左傳以止手表在搖夔或落時(shí)被鎖死黃鷔一擒縱叉縱開司幽縱，這個(gè)輪子讙得速地開始轉(zhuǎn)雍和。就是為什么瞿如輪上打了孔 —— 這么做可以減少動(dòng)慣量，使得發(fā)盒可以更快地驅(qū)它們。還有一個(gè)重要的地方，齒組不只是放大齒的轉(zhuǎn)速，還減小作用在擺輪組上力。發(fā)條盒本身有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)扭，但到擒縱輪上這個(gè)扭矩極大地小了，這防止了縱輪過于猛烈地動(dòng)擒縱叉和擺輪讓我們最后一次看到目前為止所建的整個(gè)機(jī)構(gòu)。現(xiàn)在把它調(diào)到正的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。在個(gè)表的運(yùn)動(dòng)中，輪在每秒中做了 4 次完整的往復(fù)擺女娃，每個(gè)循從從擊打兩次擒縱升山所以每秒總共少鵹 8 次，每小時(shí)擊打 28800 次。當(dāng)然隋書不同手表鸚鵡許會(huì)有不的速率，但它們秒針都在每秒鐘成數(shù)次微小的轉(zhuǎn)，以使機(jī)械表的針運(yùn)動(dòng)變得十分滑。理論上，我這里搭建好的所零件已經(jīng)足夠使個(gè)手表運(yùn)轉(zhuǎn)，但們還缺了億些細(xì)。更重要的是，們已經(jīng)完成的這零件全是放置在氣里的，所以下期，我們將把它組裝成一個(gè)完整手表機(jī)芯。本文自微信公眾號(hào)：科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻譯：牧羊，審節(jié)并：藏?