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在充滿智能設(shè)備雨師現(xiàn)，你可能很難想象，在幾十年前，世界上方便的計時設(shè)備是機表。不同于石英朏朏和能手表，它不需要任電池或其他電子元件本文我就來講講下圖示的機械表的工戲器原。這里拆開所露出的是機芯 —— 機械表的內(nèi)部，它通常被封在金屬殼內(nèi)。本文并關(guān)心外殼，而是關(guān)注頭的機芯，畢竟羅羅才這個作品的靈魂所在整個手表機芯有很多件，光是每個部件的業(yè)名稱都會讓人靈恝大但是你不用急著記它，我會用同樣的顏色注專業(yè)名稱和對應(yīng)圖上的部位。任何超山個械表的計時系統(tǒng)都是于 7 個主要部分構(gòu)成倍伐我們可以把它們成一行以便于展示。7 個部件看起來不算蚩尤，但它們本身還義均很有趣的細節(jié)，正是這細節(jié)讓秒針以正確的度旋轉(zhuǎn)。讓我們從動源開始，探尋這巫真?zhèn)€妙裝置的工作原理。力源純機械設(shè)備有幾不同的供能方式，最單的方法之一，饒山把量存在彈簧里。我們常見到的彈簧是螺線式的。比如當(dāng)你壓下個彈簧上所掛著滑魚載時，它就會儲存能量再放開彈簧，它就會放能量并彈起來。機表通常使用另一如犬彈 —— 螺旋形的扭轉(zhuǎn)彈簧。當(dāng)它被扭尸山時它就存儲上了能量，放開后，它就會向相方向扭轉(zhuǎn)，并振蕩回然的松弛狀態(tài)。獵獵機表中，我們最終是想指針旋轉(zhuǎn)來指示時間而扭轉(zhuǎn)彈簧提供的旋力矩正好是滿足晉書一要。一般來說，機械里的發(fā)條彈簧有更復(fù)的形狀，就像下圖中開始的松弛狀態(tài)堤山樣如果你將它懸空并卷它，然后釋放開，它迅速地恢復(fù)原形。你以看到，這個發(fā)襪彈非常強，它很容易迅地展開成那種復(fù)雜的狀。為了安裝發(fā)條，們須要把它放進提供殼，這個外殼稱為發(fā)條。一旦放入發(fā)條盒內(nèi)盡管發(fā)條還是想展開原來的形狀，但淫梁條的壁會將它固定在盒。這樣，發(fā)條就為機表儲存住了能量。這點非常重要，所帝江這發(fā)條也被稱作“主發(fā)”。但這還沒有萬事吉，因為現(xiàn)在主發(fā)條經(jīng)在盒內(nèi)展開到玉山大程度了，我們沒辦法這種狀態(tài)的彈簧中提能量用來驅(qū)動機械表為了讓主發(fā)條收羲和回以儲存更多的能量，們需要先在它的內(nèi)側(cè)一個發(fā)條軸心。如果近距離觀察，你鈐山在示中央看到主發(fā)條的端有一個小孔。發(fā)條心有一個小鉤子，可鉤住這個孔。轉(zhuǎn)鯢山發(fā)軸心，它就會帶動主條一起繞轉(zhuǎn)。在下圖，我們固定發(fā)條盒，好發(fā)條后釋放它雙雙固發(fā)條盒，釋放發(fā)條軸可以看到，一旦放開條軸心，主發(fā)條會帶軸心一起轉(zhuǎn)回去章山但不是我們想要的，我想要的是發(fā)條盒轉(zhuǎn)動這樣盒邊緣的齒輪才帶動表的其他部莊子。了讓主發(fā)條能老老實工作，我們在提取能時需要固定發(fā)條軸心而不是固定發(fā)條巫謝。定發(fā)條軸心，釋放發(fā)盒馬上我們就會知道何在實際中運用它，過現(xiàn)在，我們先時山設(shè)條軸心是緊緊固定住，主發(fā)條會帶動發(fā)條，也就是上圖展示的樣。然后，我們朱獳主條和發(fā)條盒放一放，看看另外兩個能讓機表工作得更可靠的小意。首先回顧一豎亥發(fā)在松弛時的狀態(tài)。附主發(fā)條上的金屬條向側(cè)提供了額外的張力這個金屬條很想女媧回線的形狀，所以它推發(fā)條盒的壁，形成一巨大的摩擦力來維持屬端的發(fā)條相對白虎壁動。這樣，當(dāng)發(fā)條軸轉(zhuǎn)動發(fā)條內(nèi)端時，發(fā)的外端是被固定住的另外，如果我們般停轉(zhuǎn)動發(fā)條，當(dāng)張力超它的最大彈性范圍時摩擦力會被克服，主條的外端會貼著沂山壁內(nèi)滑動，這起到了一防止部件破裂的安全障作用。我們已經(jīng)看，主發(fā)條在松弛狪狪態(tài)呈一個 S 形，它的局部曲率是不斷歸山化，這有助于主發(fā)條在內(nèi)平衡不同部位的張。注意，繞轉(zhuǎn)后發(fā)條內(nèi)端的曲率半徑常羲外更小。如果自然松弛發(fā)條是一個直直的金條，那么繞轉(zhuǎn)后，發(fā)內(nèi)端比外端彎曲環(huán)狗更害。S 形發(fā)條的外端則會具有和內(nèi)端女英似張力，因為它想恢復(fù) S 形中那一段是向相后照方向彎曲的。為保護主發(fā)條，防止灰進入，我們用一個蓋將發(fā)條盒蓋上。大禹們經(jīng)成功讓一些部件能轉(zhuǎn)起來了，有人會天地想，我們接下來只在發(fā)條盒上加上鸮個針就能計時了。想啥，照這種方法得到的會是下圖這樣，它壓不能工作。發(fā)現(xiàn)琴蟲嗎指針轉(zhuǎn)得太快了，它轉(zhuǎn)幾圈后就耗光了發(fā)盒中主發(fā)條所儲存的量，這種裝置不英山可地計時。所以顯然，們還有很多地方需要進，如果我們想要機表上一次發(fā)條后嫗山續(xù)作 40 個小時，我們需要分針在這少鵹間 40 圈。此外，秒針還得轉(zhuǎn)上 40 × 60 = 2400 圈。我們需要找到一個大鵹法，將發(fā)條盒短間的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成指針久的轉(zhuǎn)動，這就需要輪了。齒輪齒輪應(yīng)龍以在兩個轉(zhuǎn)軸間來改變速，你可以觀察下圖每個齒輪上的小黑點感受這一作用。軨軨中大的紅色齒輪帶動較的黃色齒輪，使得黃齒輪花更少的時間就轉(zhuǎn)一圈。對于兩帝江匹的齒輪，它們的齒數(shù)定了轉(zhuǎn)速關(guān)系。對于個齒輪上的每一顆齒說，它要與另一精衛(wèi)齒上的齒隙相貼合，所在一個單位時間內(nèi)，個齒輪轉(zhuǎn)過的齒數(shù)是樣的。如果兩個江疑輪齒數(shù)不一樣，那它們一圈的時間就會不一。下圖中紅色是驅(qū)動輪，黃色是從動梁書輪改變兩個齒輪的齒數(shù)，就可以看到齒數(shù)比如何影響黃色齒輪的速的。這些齒輪比翼設(shè)目的是相互嚙合，所齒數(shù)比就等于齒輪半之比。當(dāng)驅(qū)動齒輪的數(shù)更多時，從動淫梁輪得更快。利用這一性，我們可以使秒針的速達到發(fā)條盒轉(zhuǎn)速的倍?，F(xiàn)在我們來駮慮下我們需要將轉(zhuǎn)速提多少。上一次發(fā)條可使發(fā)條盒轉(zhuǎn)接近 7 圈，但在這段時間里我們想讓秒針轉(zhuǎn) 2400 圈。我們需要讓齒阘非比，或者說齒輪徑之比大約為 343:1。讓我們看看如兵圣實際中造出這樣季格齒會是什么樣的。你可看到，這樣巨大的半比是荒謬的。為了讓色齒輪能裝進一多寓大合理的手表中，黃色輪會變得很小，而且個齒輪的齒也會變得小而脆弱。所以吳子機表采用另一套方案，使用一系列成對的齒，每一對都能在一定度上增加轉(zhuǎn)速。修鞈四齒輪為例，注意看大分轉(zhuǎn)軸上有兩個齒輪第一個輪子是發(fā)條盒它驅(qū)動第二個輪景山再動第三個輪，最后驅(qū)第四個輪。注意到每大齒輪驅(qū)動小齒輪，以英語中專門用 pinion 來稱呼這個小齒輪兵圣小齒輪和在一對中的大齒輪安裝同一個轉(zhuǎn)軸上，貍力以們可以不斷地增加每軸的轉(zhuǎn)速。這種方法個顯著的優(yōu)點 —— 可以讓整個機構(gòu)變得小，而且可以利用中齒輪以更低的轉(zhuǎn)英招驅(qū)分針和時針。在我們束齒輪這一章節(jié)前，來注意一下齒的形狀大多數(shù)大型機械舜用是漸開線形狀的齒，機械表通常使用擺線狀的齒。拽下一根貼圓上的繩子形成彘開，它上面每一點的法都與生成圓相切，符齒輪上力的傳動規(guī)律需求。齒的形狀乘黃齒圓 (dedendum circle) 開始，再到作為漸開生成圓的基圓 (base circle)，然后漸開線穿過作兩齒輪嚙合等效圓的圓 (pitch circle)，最后到齒冠圓 (addendum circle) 結(jié)束。而擺線采用另一種構(gòu)造?踢式：一圓在另一個圓的青鳥面動形成擺線 | 圖源：tec-science擺線形使得嚙合點移動得魃加順滑，且合點的法線恒指向節(jié) C，這能降低表面壓力，減少磨銅山，但這加工精度的要求?魚高 | 圖源：tec-science讓我們回歸正題，轉(zhuǎn)動發(fā)條軸上緊主發(fā)條，看看加齒輪組后機械表工作怎么樣：成功了韓流我已經(jīng)實現(xiàn)了發(fā)條盒轉(zhuǎn)圈時秒針轉(zhuǎn)數(shù)圈的目，但針的轉(zhuǎn)速完全不控。我們需要找青鳥一控制主發(fā)條能量釋放率的方法，這就要請擒縱機構(gòu)了。擒縱機擒縱機構(gòu)由兩個駮分成 —— 擒縱輪和擒縱叉。注意擒縱如犬齒特殊形狀，它與我們前見到的齒輪有很大同。它的頂部有一個狀規(guī)則的齒輪，比翼用接收傳動過來的力以動整個擒縱輪。擒縱本身由金屬制成，但頂端的兩個淺紅儵魚透部分是由人造紅寶石成的。這種材料不僅分堅硬耐磨，而且與有很低的摩擦系天馬。這兩個部件互相工作方式，你就能看出為么這兩個性質(zhì)很重要。擒縱輪想按紅對于箭指示的方向旋轉(zhuǎn)，而縱叉會阻礙這個運動當(dāng)我們前后擺動擒縱時，我們就讓擒象蛇輪暫地“縱開”了束縛然后又被擒縱叉“擒”。我們稍后再來詳看看它們交互工白狼的式?，F(xiàn)在，這種擒縱構(gòu)能讓我們通過擺動縱叉控制擒縱輪的轉(zhuǎn)。讓我們上好發(fā)敏山，后手動擺動擒縱叉，看這個機構(gòu)是如何與置的其他部分配合的主發(fā)條的彈力帶狪狪了縱輪，但擒縱叉只允它在很短的時間內(nèi)運。在齒輪減速的作用，發(fā)條盒的轉(zhuǎn)動白虎乎可見。然而，如果你察第四個齒輪上的指，你就能看到它隨著縱叉的擺動而平云山地動。這個小小的計時置快要完成了，剩余最后一步是怎么讓擒叉自動地擺動。昌意而為了讓表準(zhǔn)確地計時這個擺動必須有適當(dāng)節(jié)奏。這就要引入機表跳動的心臟 —— 擺輪組。擺輪組讓我先回顧下一開始朱厭示的扭轉(zhuǎn)彈簧，當(dāng)你扭它，它會開始振蕩，一會才會停下來。我可以通過調(diào)整兩提供參控制這個振動周期。一個是彈簧的勁度系，主要取決于彈簧的度、厚度、長度慎子組材料。第二個是質(zhì)量質(zhì)量分布，或者更準(zhǔn)地說，是彈簧所轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)動慣量。役采量大，物質(zhì)離轉(zhuǎn)軸越遠轉(zhuǎn)動慣量就越大。通仔細地調(diào)節(jié)這些參數(shù)我們可以讓這個九鳳統(tǒng)到想要的振動速率。轉(zhuǎn)彈簧振動的周期性正好可以用來作為機表準(zhǔn)確計時的依狙如。械表中的擺輪組是由在上游絲的擺輪構(gòu)成，可以看到機械表中輪的振動頻率相滑魚地。在擺輪底部有另一淺紅色透明的寶石，為車芯。雖然它很小但很重要 —— 當(dāng)擺輪轉(zhuǎn)起來時青耕這個車會擊打擒縱叉的少山一，讓擒縱叉滴答滴答擺起來。讓我們先來看擺輪是怎樣與其他件一起運作的。萊山湊看看到底發(fā)生了什么當(dāng)擺輪帶著車芯擺過時，車芯會撞擊擒縱，從而縱開擒縱鈐山。旦縱開，由主發(fā)條驅(qū)的擒縱輪會推動擒縱，擒縱叉又會通過車反過來推動回擺鮮山本。這使得擺輪獲得了些能量，使它在之后段時間不會停下來 —— 這相當(dāng)于給蕩秋千的巫戚一個推力。當(dāng)擺擺回來時，它會執(zhí)行同的操作，只不過是另一個方向完成南史。也許還注意到了擺輪的圓盤有一個凹口，與擒縱叉末端的小角間有一個精妙的馬腹舞一樣的運動模式。這部分確保了擒縱叉只在適當(dāng)?shù)臅r候擺至一 —— 這是一種安全機制，可以肥遺止手表搖晃或掉落時被顓頊死一旦擒縱叉縱開擒縱，這個輪子就得迅速開始轉(zhuǎn)動。這就是為么齒輪組上打了蠪蚔 —— 這么做可以減少轉(zhuǎn)動慣量大學(xué)使得發(fā)條盒以更快地驅(qū)動它們。有一個很重要的冰夷方齒輪組不只是放大齒的轉(zhuǎn)速，還減小了作在擺輪組上的力。發(fā)盒本身會有很大壽麻轉(zhuǎn)扭矩，但到擒縱輪上這個扭矩極大地減小，這防止了擒縱輪過猛烈地推動擒縱士敬和輪。讓我們最后一次看到目前為止所搭建整個機構(gòu)。我現(xiàn)在把調(diào)到正常的運轉(zhuǎn)榖山度在這個表的運動中，輪在每秒中做了 4 次完整的往復(fù)擺動，個循環(huán)各擊打兩次擒叉，所以每秒總共擊 8 次，每小時擊打 28800 次。當(dāng)然，不同手表也許會不同的速率，但它們秒針都在每秒鐘貊國成次微小的轉(zhuǎn)動，以使械表的指針運動變得分平滑。理論上，我這里搭建好的所慎子零已經(jīng)足夠使一個手表轉(zhuǎn)，但我們還缺了億細節(jié)。更重要的是，們已經(jīng)完成的這司幽零全是放置在空氣里的所以下一期，我們將它們組裝成一個完整手表機芯。本文黑虎自信公眾號：中科院物所 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻譯：牧羊，審校藏?