劇情簡介
上期我們介紹了機械表發(fā)條、齒輪、擒縱機構(gòu)擺輪組，本期我們繼續(xù)紹機械表的機芯。夾板們先從主夾板開始，它成了機芯的主體：注意，主夾板有很多不同的口 —— 我們將在本節(jié)利用它們安裝之前搭好部件。圖中的粉色部分是紅寶石（與上期介紹擒縱叉頂端的馬仔石和輪的車芯一樣）。它們為軸承，使各部件的軸以旋轉(zhuǎn)起來。讓我們近離地看看它：寶石里面一個小腔。為了進一步少旋轉(zhuǎn)部件的能量損失腔內(nèi)涂有少量的特殊潤油。潤滑油會粘在寶石在寶石孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)的軸上以進一步減少摩擦，延手表單次上發(fā)條后的運時間，同時減少精密機部件間的磨損。前兩個們要安裝到主夾板上的件是擒縱輪和擒縱叉：裝好這兩個零件后，我再用擒縱夾板蓋住擒縱。夾板固定住擒縱叉轉(zhuǎn)的另一端，并通過兩個絲釘固定在主夾板上：意看，這個擒縱叉的擺被擒縱夾板中央的兩個起的形狀限制住了：這證了擒縱輪推動擒縱叉幅度只能到這里，再推會被這些凸起攔住。接，我們可以把剩下的齒安裝進去。這四個齒輪位置都是精心安排的，使得它們只會占據(jù)一小分空間。注意看，第四齒輪穿過了手表的正中 —— 你可以在主夾板的另一面看到它穿過去轉(zhuǎn)軸。在整個組裝過程最后，我們將把秒針裝這個長軸上。為了保證有齒輪都被固定住，我用齒輪組夾板把它們蓋，這也為齒輪轉(zhuǎn)軸的另端提供了固定點。齒輪夾板也被螺絲固定在主板上，這樣所有東西都固定好了。核心零件中只剩下擺輪組還沒裝上了。它很特殊，需要專設(shè)計的固定機構(gòu)。讓我先把所有的部件裝上擺組夾板。注意看，作為衡彈簧的游絲非常精細它的末端連接著擺輪。絲的名字正是取自于它精細，在英文中，它也此被稱為 hairspring。黃色和青色的部位用來調(diào)節(jié)游絲的振頻率。讓我們看看它們際是怎么工作的：黃色位緊緊地固定著游絲，過轉(zhuǎn)動它，我們可以調(diào)擺輪和它上邊的車芯在由松弛狀態(tài)時的位置。保證了擺輪“滴”和“”的擺動相位會經(jīng)歷相的時間。青色部位可以游絲上自由地滑動，它以阻止游絲尾部的自由動，從而改變游絲振動有效長度。通過調(diào)節(jié)青部位，我們可以調(diào)節(jié)擺擺動的周期，從而讓表得稍微快些或慢些。我還能通過調(diào)節(jié)頂部的螺，對走表的速度進行精 —— 螺絲的頭并不居中，所以轉(zhuǎn)陸山它也會微地轉(zhuǎn)動青色部位的小叉。游絲是由特殊合金制的，例如尼瓦洛克斯合（Nivarox），它的勁度系數(shù)在不同溫度保持不變，這提高了機表走時的精度。安裝擺組的最后一步，是裝上震機構(gòu)，它包含一個套，兩塊寶石和一個固定的小彈簧。當(dāng)手表突然震時，這個機構(gòu)能保護輪軸脆弱的尖端不會被破。讓我們看看當(dāng)擺輪搖晃時，這些零件是如一起起到保護作用的。表被震動，擺輪軸運動能量會被彈簧吸收，這和汽車的懸架系統(tǒng)很像如果震動很強烈，那么輪軸更厚更強的部位將過蓋子將負荷傳導(dǎo)出去從而保護脆弱的軸尖。過這最后一步，我們終把上期漂在空中的零部完全地組裝成了手表機。但是，你也許還記得曾略過了如何把主發(fā)條緊的問題。如果我們直用發(fā)條軸心來上緊發(fā)條那么它會發(fā)生什么呢？了清楚地解答這個問題下圖我打開發(fā)條盒的蓋，讓你能看清里面的發(fā)：只要發(fā)條軸心被固定，主發(fā)條就能驅(qū)動機械 —— 你可以在另一面看到附在第四個齒輪上秒針轉(zhuǎn)了起來。然而，我們松開發(fā)條軸心，主條就會“擺爛”—— 通過把軸心反向轉(zhuǎn)回去以放扭矩，這樣的話，發(fā)會快速地丟失所儲存的量，機械表也會停下來為了防止主發(fā)條自發(fā)地向轉(zhuǎn)動，我們需要防止條軸心逆時針轉(zhuǎn)動，但此同時還要允許它順時轉(zhuǎn)動，這樣我們才能上條。這個問題看似復(fù)雜但可以通過很簡單的裝來解決，它就是棘爪，我們看看它是怎么工作。棘爪為了繼續(xù)改進我的裝置，我們首先得裝一個發(fā)條盒上夾板作為固的基板，它能固定發(fā)盒，并且為其他部件提固定結(jié)構(gòu)。由于這個夾會遮住部分區(qū)域，我們把一個小杠桿一起裝進，下期我們再回過來講它的作用。接著，我們螺絲釘將一個棘輪固定發(fā)條軸心上。棘輪有一方形孔，這和發(fā)條軸心部的方形是相吻合的。個匹配的方形使棘輪可帶著發(fā)條軸心一起轉(zhuǎn)動我先暫時把螺絲去掉讓家看得更清楚些：現(xiàn)在上三個重要的零件。第個零件是個小小的棘爪我們先把它裝在發(fā)條盒夾板敞開的頂部。在它限的角度內(nèi)，棘爪可以著它的軸轉(zhuǎn)動：第二個件是棘爪簧。這個金屬玩意彈勁很強，當(dāng)我們緊它時，它會產(chǎn)生很強回復(fù)力。我們稍微壓緊棘爪簧，然后把它放進條盒上夾板。當(dāng)我們轉(zhuǎn)棘爪并松開時，棘爪簧在一瞬間把它推回去。三個零件是冠狀齒輪，也安裝在發(fā)條盒上夾板。它是被左手螺絲釘固住的，這不同于大部分規(guī)的齒輪，逆時針旋轉(zhuǎn)才會上緊：注意看冠狀輪的齒是如何嚙合棘輪。雖然冠狀齒輪看起來隔一個齒就缺一個齒，它和棘輪依然可以嚙合正常工作。冠狀齒輪的隙可以容納棘爪上的小子落入其中。如果我們時針轉(zhuǎn)動冠狀齒輪，他嚙合棘輪并上緊發(fā)條。意觀察冠狀齒輪的齒是何將棘爪推開，而當(dāng)轉(zhuǎn)齒隙，棘爪又是如何迅彈回的。當(dāng)棘爪彈回并擊冠狀齒輪時，它會發(fā)咔噠聲，所以英文中它叫“click”。逆時針轉(zhuǎn)動冠狀齒輪會上緊發(fā)條，那反過來順時針會發(fā)生什么呢？在下面模擬演示中，注意看冠齒輪的齒是如何被棘爪住的，這就能防止冠狀輪倒轉(zhuǎn)：這個簡單的裝能讓我們通過轉(zhuǎn)動冠狀輪來上發(fā)條，你可以看下圖的演示。這個棘爪能防止主發(fā)條自己反轉(zhuǎn)開 —— 這也是為什么你不能反著拖動滑條的因，除非你重啟整個演控件。手表另一面的秒展示了如何計秒，但一完整的表應(yīng)該同時顯示鐘和時鐘。讓我們看看械表是如何用一系列傳齒輪完成這個目標(biāo)。傳齒輪在我們的這個機芯，秒針是裝在第四個傳齒輪上的，因為它正好分鐘精確地轉(zhuǎn)一圈。為讓分針也能以正確的速轉(zhuǎn)動，我們需要一個比針齒輪轉(zhuǎn)速慢 60 倍的轉(zhuǎn)軸。好在，機械表芯的設(shè)計者已經(jīng)用了一絕妙的辦法，從另一個輪上“套”出了所需要轉(zhuǎn)速。如果你從表的正湊近看看，你會看見第個輪上的小齒輪從一個敞口露出來了一些。我可以在表的中央套上一輪管（因為它有個像加炮 cannon 一樣的管子，所以英文讙 cannon pinion），輪管帶有一個驅(qū)動輪，我們把它嚙合列子之提到的小齒輪上：當(dāng)?shù)?個輪子轉(zhuǎn)動，它會帶動動輪和輪管。把分針裝輪管上，我們就能記錄鐘了 —— 其中所涉及到的齒輪都精確地設(shè)定了齒數(shù)，以實現(xiàn)比秒針 60 倍的目的。我們可以從下圖看到秒針和針是如何運轉(zhuǎn)的。下面滑條模擬時間的流速，以滑動它來控制演示時的快慢。時針要轉(zhuǎn)得比針再慢 12 倍，但我們只用再加兩個暴山輪就實現(xiàn)它。將分針輪作為介與輪管嚙合，然后時輪與分針輪上的小齒輪合：時針輪松松地裝在管上，它們可以互相獨地轉(zhuǎn)動。將時針裝在時輪上，我們就完成了驅(qū)表針的裝置。我還加上一個刻度表盤，上面標(biāo)了 12 個小時，它能讓我們準(zhǔn)確地讀出涹山針指示的時間。計日功能個表的計日裝置由四個要部分組成 —— 定位桿簧，指示齒輪，日期板與附在上面的齒輪，印有所有可能的 31 個日期的日期環(huán)：為了釋它是如何工作的，我把無關(guān)的零件隱藏掉。還會去掉指示齒輪的蓋，就能看到下面有一個小的扭轉(zhuǎn)彈簧。讓我們看這些零件是如何在時輪的帶動下運轉(zhuǎn)的。當(dāng)針輪轉(zhuǎn)動，它會帶動日夾板的齒輪。另一面的齒輪會帶動指示齒輪和上面的扭轉(zhuǎn)彈簧。這個簧會被日期環(huán)上的齒絆并變彎，但在某一刻，會開始推動日期板。當(dāng)期環(huán)轉(zhuǎn)動得足夠多時，位桿簧會突然松開日期，并讓它跳到下一個位。你也許好奇為什么我要設(shè)計這么復(fù)雜的裝置有讀者可能會天真地想我們只需要直接讓時針帶著日期環(huán)轉(zhuǎn)起來就好，就像我們之前讓分針帶著時針輪轉(zhuǎn)動那樣。常抱歉，那樣會導(dǎo)致表小窗顯示出的“當(dāng)前日”連續(xù)地轉(zhuǎn)動，這會讓很難讀出究竟是哪一天你可以在下圖左側(cè)看到樣的效果。在右側(cè)，你以看到我們剛剛搭建的置所指示的日期 —— 它只會在午夜附近變化你也許已經(jīng)意識到了，們這個機芯的計日功能不那么智能，它總是把月計成 31 天，所以我們必須在小月份的最一天結(jié)束后把表上的日向后撥一天。另外，如機械表有一陣子沒有運，那它的時間就會出錯我們需要找到一個給它正日期和時間的方法。幸的是，驅(qū)動分針、時和日期環(huán)的齒輪都是連在一起的，所以我們只調(diào)整其中一個齒輪，就調(diào)整所有齒輪。我將短地在圖中隱藏時針輪以于說明：注意看，當(dāng)我動分針輪時，只有輪管動了。這個輪管緊緊地在驅(qū)動齒輪里，所以它?？梢员或?qū)動齒輪帶動然而，因為齒輪組中的他齒輪只能按發(fā)條盒的奏轉(zhuǎn)動，設(shè)置時間的同驅(qū)動齒輪會被其他齒輪礙而無法跟著一起轉(zhuǎn)，輪管可以克服與驅(qū)動齒的摩擦，從而自己轉(zhuǎn)起。這讓我們在不影響齒組的情況下設(shè)置時間，且防止對精密部件造成壞。安裝好時針輪，我會看到轉(zhuǎn)動分針輪也會著調(diào)整時針，而且如果們轉(zhuǎn)得足夠多，也能一調(diào)整日期：跟著一步步來，我們的機械表變得來越完善，但它還有一不便之處。為了調(diào)整時以及上發(fā)條，我們必須動機芯內(nèi)部的齒輪，而們一般是被安全地放置表殼內(nèi)的。另外，在每少于 31 天的月份，我們現(xiàn)在都只能通過調(diào)時間來調(diào)整日期，因為是目前調(diào)整日期的唯一式。理想情況下，我們該找到一種將設(shè)置日期立于設(shè)置時間的方法。了解決這些問題，下一我們將給機械表裝上轉(zhuǎn)，敬請期待。本文來自信公眾號：中科院物理 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻譯：牧羊，審校：*0
郭惠政
Pim
張宗貴
