机械之美——通俗易懂解析机械表的运作原理

嘀嗒嘀嗒嘀嗒。。。你是否曾痴迷于手表指针走路的步奏和声音?精准的机械表(18000摆频的)每秒嘀嗒5次,就像飞机引擎,汽车发动机,发电机或者人类心脏一样。你的手表也是一个动力源,必须在各种复杂的情况下运转而不失效。不过与我们的心跳不同,这玩意可不能时快时慢;也不像巨大的发电机,这玩意没有数以吨计的水泥和各种庞杂设施来避免震动对精度的影响。一块手表不可能有一堆维护人员,谨慎老练的驾驶员,繁杂的仪器或者控制器来维持其运转及精度。那么是什么维持着手表的滴答呢?

手表里面是各种精致的游丝,齿轮以及轴承,其组成的整个装置只占用了非常狭小的空间,而它必须保证近乎完美地以恒定速率运转分毫不差,为了了解机械表里发生的一切,我们先来了解一个简单的计时装置。

试想一下家里的水表,我们打开水闸开关,楼顶水塔的水往下流动会驱动水表里面的水轮并带动指针,那么这个水塔就是我们的动力来源。这样的话,水管引导水流流通,也就是我们的动力。水流经过水轮到达水龙头,水龙头控制着流量。通过调整水龙头,我们可以只允许一小股水流流经水管,而刻度盘上的指针就会比较慢;把水龙头扭大,水流也可以变得很大,而指针就转得更快。如果我们的动力源,即水压能保持稳定,而水龙头也进行仔细调节的话,我们就有了一个精准的计时器。

在这样理想的简化形式下,我们明确了计时器所必需的四个要素:动力源,传递动力的手段,用以记录动力传递的刻度,以及释放平衡动力的方法。现在让我们看看这四个要素在机械表中是如何体现的。

1.储存动力

上紧发条
发条盒

首先我们把手表像这样拆解开来,我们先从法条与发条盒开始。法条安置在发条盒中,法条便是手表的动力源,就像水轮计时中的水塔。上紧法条,我们就注入了动力。而这是控制动力源的单元,就像楼顶的水塔那样,只有泵入了水,水才能往下流动。

2、释放与平衡动力

摆轮组
摆轮组

这是摆轮与游丝组,包括摆轮,游丝,摆轴或轴,连在摆轴上的部分叫做滚轴,滚轴上竖立的是宝石销。我们来看看这些是如何工作的,在宝石销上施加推力会让摆轮开始摆动,额外的推力能够保持其运动。

擒纵叉与宝石销的相互作用
擒纵叉与宝石销的相互作用

我们用这种特殊的锚形杆——擒纵叉来完成推动。 擒纵,名字有点奇怪?想想七擒七纵的典故,一收一放的意思 。因此当我们来回摆动擒纵叉时,宝石销被施以一系列的推动以保持其往复摇摆。

擒纵宝石

现在在擒纵叉的叉臂上,我们增加一个擒纵宝石,图中粉红色物体。右边那个特殊的齿轮轮叫做擒纵轮,有着如此形状的轮齿能够推动擒纵宝石,从而保持摆轮的运动。

现在我们使用发条中存储的能量来驱动擒纵轮,上紧的发条驱动着齿轮组,不过这没法持续多久,而且一旦开始了就不受控制了。

我们现在需要的是一种可控的动力操纵方式,仅仅在每次需要的时候释放一点动力。被安置在另一端擒纵叉臂上的擒纵宝石将完成这项使命。当第一个擒纵宝石获得来自擒纵轮的推力之后,第二个擒纵宝石与擒纵轮上的齿锁住,以可控的形式保持发条的能量。摆轮继续摆动推动宝石销推动擒纵叉使擒纵轮解锁。

但是当我们把发条直接连在擒纵轮上时,能量还是很快就耗尽了。如果这是真的表,那么就只能跑几秒钟而已。我们需要的是细水长流,这样使其至少能跑过一整天。

3、传递动力的手段

在我们的水流时计上,我们使用水管将来自水塔的能量传递到水龙头。我们也需要一种传递能量的方式,所以我们增加一系列的齿轮。

我们把它们排成一列而非手表中那样的紧凑,观察这些齿轮,看看它们如何工作。首先发条匣(Barrel)的一小格运动驱动中心齿轮转动一整圈。中心齿轮(Center wheel)的一小格运动又驱动下一个齿轮——三轮(Third wheel)转动一整圈。依此类推,最终发条匣的少许运动能够驱动擒纵轮转动许多圈,使其足以持续一天甚至更久。

擒纵与摆轮机构——嘀嗒声音的来源
擒纵与摆轮机构——嘀嗒声音的来源

现在我们有了一个完整的手表模型,发条通过齿轮驱动擒纵轮,擒纵轮轮齿依次推动宝石销,擒纵叉及宝石销相互作用保持摆轮运动。摆轮在回程中反推擒纵叉,擒纵叉解锁再次释放发条的一点能量。来来回回,循环往复,而小小的卷曲弹簧——游丝使其保持完美的节奏。摆轮每次摆动都解锁擒纵轮,使其能再次推动擒纵叉,而这使摆轮组能保持手表嘀嗒运作,比任何跳动的心脏都更稳定。

4、 记录动力传递的刻度

现在我们只要数这嘀嗒来度量时间,不过这样会比较枯燥且不切实际,就像我们的水流时计需要刻度指针。这里我们也需要记录能量流动的方法。所以我们在齿轮轴上加上指针来度量时间。当手表的齿轮链完成五次擒纵运动,秒针刚好在表格上移动一格。为了为分钟计时数,我们在这个齿轮上安装一个指针,秒针每转60圈,它转一圈。小时也同理,另一个指针1圈12小时,秒针转一圈分针转一格,分针转一圈,一小时就过去了。

机械表组装结构图

现在我们能知道时间了,不过拉伸成这样的齿轮组离能用的手表距离还远,让我们的零件来自我组装一下。现在我们不仅能知道时间,还知道了为什么能知道。一只好的手表——精密紧凑的装置,包含精细零件,时尚却有无与伦比的精度,其基本原理却如我们所看到的,集成于显微级别的尺寸上,这一切造就了世界上精准轻便的测量装置。

5、精准度

宝石轴承
手表宝石

真正的好表在保持精准方面要下许多功夫,比如宝石。大部分人觉得宝石提升了手表的价值。确实如此,不过并非镶嵌在表壳上,宝石在手表中起着重要作用,只有当它们安置在恰当的地方才能真的提升手表的价值。作为轴承时,能减少摩擦,增加手表运作的稳定性,同时极大的提升了手表的寿命。这些微小的宝石表面如此平整也比任何钢铁坚硬,甚至能像相机镜头一样投射图案。再加上不比针尖大的一点润滑油就能使阻力几乎消失。

游丝摆动
游丝
游丝

如果非要说手表的哪个部件更重要,则非游丝莫属。每个摆动周期中它吸收并释放同等能量。好的手表,游丝必须从头至尾分毫不差。经打磨做镜面处理,由对磁场和温度变化不敏感的金属制成,能够承受相当程度的扭曲并能完全恢复原状。如我们所见,游丝经过预先扭曲,以使其均衡摆动,否则游丝卷曲和释放过程将不同,偏重一方并影响手表精度。

衡准
衡准

由于手表要能在任何角度下工作,为了保证精度,摆轮必须在任何位置上对称,这叫做衡准(动平衡)。当摆轮放在如刀刃般的边缘上而不受重力影响滚动时,衡准就完成了。有了完美的衡准以及将游丝置于摆轮中心,它能在任何时刻任何位置上保持精准。

机械表零件图

所有其他部件也是如此,只比尘土大一点的螺丝,纤细的轴,精细的齿轮,坚固的白铜/镍黄铜片与框架。所有部件以无比精度制作,近乎完美的精度。

我们看着这些几乎小到看不见的部件时,理解到它们所蕴含的神奇技术,我们能够明了其精度与准度的精髓。这是一具真正的神奇装置,有了它你能够准确度量时间的流逝,记录并为己所用。这小小的侍从同时也美轮美奂,弥足珍贵,彰显荣耀与自信,日复一日,年复一年。

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