上期我們介紹了機(jī)械表發(fā)條、齒輪、擒縱機(jī)構(gòu)擺輪組，本期我們繼續(xù)紹機(jī)械表的機(jī)芯。夾板們先從主夾板開始，它成了機(jī)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(lái)。讓我們近離地看看它：寶石里面一個(gè)小腔。為了進(jìn)一步少旋轉(zhuǎn)部件的能量損失腔內(nèi)涂有少量的特殊潤(rùn)油。潤(rùn)滑油會(huì)粘在寶石在寶石孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)的軸上以進(jìn)一步減少摩擦，延手表單次上發(fā)條后的運(yùn)時(shí)間，同時(shí)減少精密機(jī)部件間的磨損。前兩個(gè)們要安裝到主夾板上的件是擒縱輪和擒縱叉：裝好這兩個(gè)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(guò)兩個(gè)絲釘固定在主夾板上：意看，這個(gè)擒縱叉的擺被擒縱夾板中央的兩個(gè)起的形狀限制住了：這證了擒縱輪推動(dòng)擒縱叉幅度只能到這里，再推會(huì)被這些凸起攔住。接，我們可以把剩下的齒安裝進(jìn)去。這四個(gè)齒輪位置都是精心安排的，使得它們只會(huì)占據(jù)一小分空間。注意看，第四齒輪穿過(guò)了手表的正中 —— 你可以在主夾板的另一面看到它穿過(guò)去轉(zhuǎn)軸。在整個(gè)組裝過(guò)程最后，我們將把秒針裝這個(gè)長(zhǎng)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(diǎn)。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(jì)的固定機(jī)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(xì)它的末端連接著擺輪。絲的名字正是取自于它精細(xì)，在英文中，它也此被稱為 hairspring。黃色和青色的部位用來(lái)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(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)它，我們可以調(diào)擺輪和它上邊的車芯在由松弛狀態(tài)時(shí)的位置。保證了擺輪“滴”和“”的擺動(dòng)相位會(huì)經(jīng)歷相的時(shí)間。青色部位可以游絲上自由地滑動(dòng)，它以阻止游絲尾部的自由動(dòng)，從而改變游絲振動(dòng)有效長(zhǎng)度。通過(guò)調(diào)節(jié)青部位，我們可以調(diào)節(jié)擺擺動(dòng)的周期，從而讓表得稍微快些或慢些。我還能通過(guò)調(diào)節(jié)頂部的螺，對(duì)走表的速度進(jìn)行精 —— 螺絲的頭并不居中，所以轉(zhuǎn)夔它也會(huì)微地轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)表走時(shí)的精度。安裝擺組的最后一步，是裝上震機(jī)構(gòu)，它包含一個(gè)套，兩塊寶石和一個(gè)固定的小彈簧。當(dāng)手表突然震時(shí)，這個(gè)機(jī)構(gòu)能保護(hù)輪軸脆弱的尖端不會(huì)被破。讓我們看看當(dāng)擺輪搖晃時(shí)，這些零件是如一起起到保護(hù)作用的。表被震動(dòng)，擺輪軸運(yùn)動(dòng)能量會(huì)被彈簧吸收，這和汽車的懸架系統(tǒng)很像如果震動(dòng)很強(qiáng)烈，那么輪軸更厚更強(qiáng)的部位將過(guò)蓋子將負(fù)荷傳導(dǎo)出去從而保護(hù)脆弱的軸尖。過(guò)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(jī)。但是，你也許還記得曾略過(guò)了如何把主發(fā)條緊的問(wèn)題。如果我們直用發(fā)條軸心來(lái)上緊發(fā)條那么它會(huì)發(fā)生什么呢？了清楚地解答這個(gè)問(wèn)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(dòng)機(jī)械 —— 你可以在另一面看到附在第四個(gè)齒輪上秒針轉(zhuǎn)了起來(lái)。然而，我們松開發(fā)條軸心，主條就會(huì)“擺爛”—— 通過(guò)把軸心反向轉(zhuǎn)回去以放扭矩，這樣的話，發(fā)會(huì)快速地丟失所儲(chǔ)存的量，機(jī)械表也會(huì)停下來(lái)為了防止主發(fā)條自發(fā)地向轉(zhuǎn)動(dòng)，我們需要防止條軸心逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，但此同時(shí)還要允許它順時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣我們才能上條。這個(gè)問(wèn)題看似復(fù)雜但可以通過(guò)很簡(jiǎn)單的裝來(lái)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(jìn)我的裝置，我們首先得裝一個(gè)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(gè)夾會(huì)遮住部分區(qū)域，我們把一個(gè)小杠桿一起裝進(jìn)，下期我們?cè)倩剡^(guò)來(lái)講它的作用。接著，我們螺絲釘將一個(gè)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(gè)匹配的方形使棘輪可帶著發(fā)條軸心一起轉(zhuǎn)動(dòng)我先暫時(shí)把螺絲去掉讓家看得更清楚些：現(xiàn)在上三個(gè)重要的零件。第個(gè)零件是個(gè)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(dòng)：第二個(gè)件是棘爪簧。這個(gè)金屬玩意彈勁很強(qiáng)，當(dāng)我們緊它時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)回復(fù)力。我們稍微壓緊棘爪簧，然后把它放進(jìn)條盒上夾板。當(dāng)我們轉(zhuǎn)棘爪并松開時(shí)，棘爪簧在一瞬間把它推回去。三個(gè)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(shí)針旋轉(zhuǎn)才會(huì)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(lái)隔一個(gè)齒就缺一個(gè)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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，它會(huì)發(fā)咔噠聲，所以英文中它叫“click”。逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)冠狀齒輪會(huì)上緊發(fā)條，那反過(guò)來(lái)順時(shí)針會(huì)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(gè)簡(jiǎn)單的裝能讓我們通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)冠狀輪來(lái)上發(fā)條，你可以看下圖的演示。這個(gè)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(dòng)滑條的因，除非你重啟整個(gè)演控件。手表另一面的秒展示了如何計(jì)秒，但一完整的表應(yīng)該同時(shí)顯示鐘和時(shí)鐘。讓我們看看械表是如何用一系列傳齒輪完成這個(gè)目標(biāo)。傳齒輪在我們的這個(gè)機(jī)芯，秒針是裝在第四個(gè)傳齒輪上的，因?yàn)樗?分鐘精確地轉(zhuǎn)一圈。為讓分針也能以正確的速轉(zhuǎn)動(dòng)，我們需要一個(gè)比針齒輪轉(zhuǎn)速慢 60 倍的轉(zhuǎn)軸。好在，機(jī)械表芯的設(shè)計(jì)者已經(jīng)用了一絕妙的辦法，從另一個(gè)輪上“套”出了所需要轉(zhuǎn)速。如果你從表的正湊近看看，你會(huì)看見第個(gè)輪上的小齒輪從一個(gè)敞口露出來(lái)了一些。我可以在表的中央套上一輪管（因?yàn)樗袀€(gè)像加炮 cannon 一樣的管子，所以英文化蛇 cannon pinion），輪管帶有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，我們把它嚙合黑豹之提到的小齒輪上：當(dāng)?shù)?個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，它會(huì)帶動(dòng)動(dòng)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(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)的。下面滑條模擬時(shí)間的流速，以滑動(dòng)它來(lái)控制演示時(shí)的快慢。時(shí)針要轉(zhuǎn)得比針再慢 12 倍，但我們只用再加兩個(gè)陸吾輪就實(shí)現(xiàn)它。將分針輪作為介與輪管嚙合，然后時(shí)輪與分針輪上的小齒輪合：時(shí)針輪松松地裝在管上，它們可以互相獨(dú)地轉(zhuǎn)動(dòng)。將時(shí)針裝在時(shí)輪上，我們就完成了驅(qū)表針的裝置。我還加上一個(gè)刻度表盤，上面標(biāo)了 12 個(gè)小時(shí)，它能讓我們準(zhǔn)確地讀出大蜂針指示的時(shí)間。計(jì)日功能個(gè)表的計(jì)日裝置由四個(gè)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(gè)日期的日期環(huán)：為了釋它是如何工作的，我把無(wú)關(guān)的零件隱藏掉。還會(huì)去掉指示齒輪的蓋，就能看到下面有一個(gè)小的扭轉(zhuǎn)彈簧。讓我們看這些零件是如何在時(shí)輪的帶動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)的。當(dāng)針輪轉(zhuǎn)動(dòng)，它會(huì)帶動(dòng)日夾板的齒輪。另一面的齒輪會(huì)帶動(dòng)指示齒輪和上面的扭轉(zhuǎn)彈簧。這個(gè)簧會(huì)被日期環(huán)上的齒絆并變彎，但在某一刻，會(huì)開始推動(dòng)日期板。當(dāng)期環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)得足夠多時(shí)，位桿簧會(huì)突然松開日期，并讓它跳到下一個(gè)位。你也許好奇為什么我要設(shè)計(jì)這么復(fù)雜的裝置有讀者可能會(huì)天真地想我們只需要直接讓時(shí)針帶著日期環(huán)轉(zhuǎn)起來(lái)就好，就像我們之前讓分針帶著時(shí)針輪轉(zhuǎn)動(dòng)那樣。常抱歉，那樣會(huì)導(dǎo)致表小窗顯示出的“當(dāng)前日”連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)，這會(huì)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(huì)在午夜附近變化你也許已經(jīng)意識(shí)到了，們這個(gè)機(jī)芯的計(jì)日功能不那么智能，它總是把月計(jì)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(jī)械表有一陣子沒有運(yùn)，那它的時(shí)間就會(huì)出錯(cuò)我們需要找到一個(gè)給它正日期和時(shí)間的方法。幸的是，驅(qū)動(dòng)分針、時(shí)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(gè)齒輪，就調(diào)整所有齒輪。我將短地在圖中隱藏時(shí)針輪以于說(shuō)明：注意看，當(dāng)我動(dòng)分針輪時(shí)，只有輪管動(dòng)了。這個(gè)輪管緊緊地在驅(qū)動(dòng)齒輪里，所以它?？梢员或?qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)然而，因?yàn)辇X輪組中的他齒輪只能按發(fā)條盒的奏轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置時(shí)間的同驅(qū)動(dòng)齒輪會(huì)被其他齒輪礙而無(wú)法跟著一起轉(zhuǎn)，輪管可以克服與驅(qū)動(dòng)齒的摩擦，從而自己轉(zhuǎn)起。這讓我們?cè)诓挥绊扆X組的情況下設(shè)置時(shí)間，且防止對(duì)精密部件造成壞。安裝好時(shí)針輪，我會(huì)看到轉(zhuǎn)動(dòng)分針輪也會(huì)著調(diào)整時(shí)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(lái)，我們的機(jī)械表變得來(lái)越完善，但它還有一不便之處。為了調(diào)整時(shí)以及上發(fā)條，我們必須動(dòng)機(jī)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(guò)調(diào)時(shí)間來(lái)調(diào)整日期，因?yàn)?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(shí)間的方法。了解決這些問(wèn)題，下一我們將給機(jī)械表裝上轉(zhuǎn)，敬請(qǐng)期待。本文來(lái)自信公眾號(hào)：中科院物理 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻譯：牧羊，審校：*0