在充滿智設(shè)備的現(xiàn)，你可能難想象，在幾十年，世界上方便的計設(shè)備是機表。不同石英表和能手表，不需要任電池或其電子元件本文我就講講下圖示的機械的工作原。這里拆所露出的是機芯 —— 機械表的內(nèi)部，通常被封在金屬殼。本文并關(guān)心外殼而是關(guān)注頭的機芯畢竟那才這個作品靈魂所在整個手表芯有很多件，光是個部件的業(yè)名稱都讓人頭大但是你不急著記它，我會用樣的顏色注專業(yè)名和對應(yīng)圖上的部位任何一個械表的計系統(tǒng)都是于 7 個主要部分成，我們以把它們成一行以于展示。7 個部件看起來不算，但它們身還有很有趣的細，正是這細節(jié)讓秒以正確的度旋轉(zhuǎn)。我們從動源開始，尋這整個妙裝置的作原理。力源純機設(shè)備有幾不同的供方式，最單的方法一，是把量存在彈里。我們常見到的簧是螺線式的。比當(dāng)你壓下個彈簧上掛著的載時，它就儲存能量再放開彈，它就會放能量并起來。機表通常使另一種彈 —— 螺旋形的扭彈簧。當(dāng)被扭轉(zhuǎn)時它就存儲了能量，放開后，就會向相方向扭轉(zhuǎn)并振蕩回然的松弛態(tài)。在機表中，我最終是想指針旋轉(zhuǎn)指示時間而扭轉(zhuǎn)彈提供的旋力矩正好滿足這一要。一般說，機械里的發(fā)條簧有更復(fù)的形狀，像下圖中開始的松狀態(tài)那樣如果你將懸空并卷它，然后放開，它迅速地恢原形。你以看到，個發(fā)條彈非常強，很容易迅地展開成種復(fù)雜的狀。為了裝發(fā)條，們須要把放進外殼，這個外稱為發(fā)條。一旦放發(fā)條盒內(nèi)盡管發(fā)條是想展開原來的形，但發(fā)條的壁會將固定在盒。這樣，條就為機表儲存住能量。這點非常重，所以這發(fā)條也被作“主發(fā)”。但這沒有萬事吉，因為在主發(fā)條經(jīng)在盒內(nèi)開到最大程度了，們沒辦法這種狀態(tài)彈簧中提能量用來動機械表為了讓主條收縮回以儲存更的能量，們需要先它的內(nèi)側(cè)一個發(fā)條心。如果近距離觀，你會在示中央看主發(fā)條的端有一個孔。發(fā)條心有一個鉤子，可鉤住這個。轉(zhuǎn)動發(fā)軸心，它會帶動主條一起繞。在下圖，我們固發(fā)條盒，好發(fā)條后放它。固發(fā)條盒，放發(fā)條軸可以看到一旦放開條軸心，發(fā)條會帶軸心一起回去。但不是我們要的，我想要的是條盒轉(zhuǎn)動這樣盒邊的齒輪才帶動表的他部件。了讓主發(fā)能老老實工作，我在提取能時需要固發(fā)條軸心而不是固發(fā)條盒。定發(fā)條軸，釋放發(fā)盒馬上我就會知道何在實際運用它，過現(xiàn)在，們先假設(shè)條軸心是緊固定住，主發(fā)條帶動發(fā)條，也就是圖展示的樣。然后我們把主條和發(fā)條放一放，看看另外個能讓機表工作得可靠的小意。首先顧一下發(fā)在松弛時狀態(tài)。附主發(fā)條上金屬條向側(cè)提供了外的張力這個金屬很想彈回線的形狀所以它推發(fā)條盒的，形成一巨大的摩力來維持屬端的發(fā)相對盒壁動。這樣當(dāng)發(fā)條軸轉(zhuǎn)動發(fā)條端時，發(fā)的外端是固定住的另外，如我們不停轉(zhuǎn)動發(fā)條當(dāng)張力超它的最大性范圍時摩擦力會克服，主條的外端貼著盒壁內(nèi)滑動，起到了一防止部件裂的安全障作用。們已經(jīng)看，主發(fā)條松弛狀態(tài)呈一個 S 形，它的局部曲率不斷變化，這有助主發(fā)條在內(nèi)平衡不部位的張。注意，轉(zhuǎn)后發(fā)條內(nèi)端的曲半徑比外更小。如自然松弛發(fā)條是一直直的金條，那么轉(zhuǎn)后，發(fā)內(nèi)端比外彎曲得更害。S 形發(fā)條的外則會具有內(nèi)端相似張力，因它想恢復(fù) S 形中那一段是相反方向曲的。為保護主發(fā)，防止灰進入，我用一個蓋將發(fā)條盒上。我們經(jīng)成功讓些部件能轉(zhuǎn)起來了有人會天地想，我接下來只在發(fā)條盒加上一個針就能計了。想啥，照這種法得到的會是下圖樣，它壓不能工作發(fā)現(xiàn)了嗎指針轉(zhuǎn)得快了，它轉(zhuǎn)幾圈后耗光了發(fā)盒中主發(fā)所儲存的量，這種置不能可地計時。以顯然，們還有很地方需要進，如果們想要機表上一次條后連續(xù)作 40 個小時，們需要分在這期間 40 圈。此外，針還得轉(zhuǎn) 40 × 60 = 2400 圈。我們需要找到個方法，發(fā)條盒短間的轉(zhuǎn)動換成指針久的轉(zhuǎn)動這就需要輪了。齒齒輪可以在兩個轉(zhuǎn)間來改變速，你可觀察下圖每個齒輪的小黑點感受這一用。圖中大的紅色輪帶動較的黃色齒，使得黃齒輪花更的時間就轉(zhuǎn)一圈。于兩個匹的齒輪，們的齒數(shù)定了轉(zhuǎn)速系。對于個齒輪上每一顆齒說，它要另一個齒上的齒隙貼合，所在一個單時間內(nèi)，個齒輪轉(zhuǎn)的齒數(shù)是樣的。如兩個齒輪齒數(shù)不一，那它們一圈的時就會不一。下圖中色是驅(qū)動輪，黃色從動齒輪改變兩個輪的齒數(shù)，就可以到齒數(shù)比如何影響色齒輪的速的。這齒輪的設(shè)目的是相嚙合，所齒數(shù)比就于齒輪半之比。當(dāng)動齒輪的數(shù)更多時從動齒輪得更快。用這一性，我們可使秒針的速達到發(fā)盒轉(zhuǎn)速的倍。現(xiàn)在們來考慮下我們需將轉(zhuǎn)速提多少。上次發(fā)條可使發(fā)條盒接近 7 圈，但在段時間里我們想讓針轉(zhuǎn) 2400 圈。我們需要齒數(shù)比，者說齒輪徑之比大為 343:1。讓我們看看如實際中造這樣的齒會是什么的。你可看到，這巨大的半比是荒謬。為了讓色齒輪能進一個大合理的手中，黃色輪會變得小，而且個齒輪的也會變得小而脆弱所以，機表采用另套方案，使用一系成對的齒，每一對能在一定度上增加速。以四齒輪為例注意看大分轉(zhuǎn)軸上兩個齒輪第一個輪是發(fā)條盒它驅(qū)動第個輪，再動第三個，最后驅(qū)第四個輪注意到每大齒輪驅(qū)小齒輪，以英語中門用 pinion 來稱呼這小齒輪。齒輪和在一對中的齒輪安裝同一個轉(zhuǎn)上，所以們可以不地增加每軸的轉(zhuǎn)速這種方法個顯著的點 —— 可以讓整機構(gòu)變得小，而且以利用中齒輪以更的轉(zhuǎn)速驅(qū)分針和時。在我們束齒輪這章節(jié)前，來注意一齒的形狀大多數(shù)大機械使用是漸開線狀的齒，機械表通使用擺線狀的齒。下一根貼圓上的繩形成漸開，它上面一點的法都與生成相切，符齒輪上力傳動規(guī)律需求。齒形狀從齒圓 (dedendum circle) 開始，再作為漸開生成圓的圓 (base circle)，然后漸線穿過作兩齒輪嚙等效圓的圓 (pitch circle)，最后到齒冠圓 (addendum circle) 結(jié)束。而擺線采另一種構(gòu)方式：一圓在另一圓的表面動形成擺 | 圖源：tec-science擺線形使得嚙合移動得更順滑，且合點的法恒指向節(jié) C，這能降低表面力，減少損，但這加工精度要求很高 | 圖源：tec-science讓我們回歸正題，動發(fā)條軸上緊主發(fā)，看看加齒輪組后械表工作怎么樣：功了！我已經(jīng)實現(xiàn)發(fā)條盒轉(zhuǎn)圈時秒針數(shù)圈的目，但針的速完全不控。我們要找到一控制主發(fā)能量釋放率的方法這就要請擒縱機構(gòu)。擒縱機擒縱機構(gòu)兩個部分成 —— 擒縱輪和縱叉。注擒縱輪齒特殊形狀它與我們前見到的輪有很大同。它的部有一個狀規(guī)則的輪，這用接收傳動來的力以動整個擒輪。擒縱本身由金制成，但頂端的兩淺紅色透部分是由造紅寶石成的。這材料不僅分堅硬耐，而且與有很低的擦系數(shù)。這兩個部互相工作方式，你能看出為么這兩個質(zhì)很重要。擒縱輪按紅色箭指示的方旋轉(zhuǎn)，而縱叉會阻這個運動當(dāng)我們前擺動擒縱時，我們讓擒縱輪暫地“縱”了束縛然后又被縱叉“擒”。我們后再來詳看看它們互工作的式?，F(xiàn)在這種擒縱構(gòu)能讓我通過擺動縱叉控制縱輪的轉(zhuǎn)。讓我們好發(fā)條，后手動擺擒縱叉，看這個機是如何與置的其他分配合的主發(fā)條的力帶動了縱輪，但縱叉只允它在很短時間內(nèi)運。在齒輪速的作用，發(fā)條盒轉(zhuǎn)動幾乎可見。然，如果你察第四個輪上的指，你就能到它隨著縱叉的擺而平緩地動。這個小的計時置快要完了，剩余最后一步怎么讓擒叉自動地動。然而為了讓表確地計時這個擺動須有適當(dāng)節(jié)奏。這要引入機表跳動的臟 —— 擺輪組。輪組讓我先回顧下開始展示的扭轉(zhuǎn)彈，當(dāng)你扭它，它會始振蕩，一會才會下來。我可以通過整兩個參控制這個動周期。一個是彈的勁度系，主要取于彈簧的度、厚度長度和組材料。第個是質(zhì)量質(zhì)量分布或者更準(zhǔn)地說，是簧所轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)動量。質(zhì)量大，物質(zhì)轉(zhuǎn)軸越遠轉(zhuǎn)動慣量越大。通仔細地調(diào)這些參數(shù)我們可以這個系統(tǒng)到想要的動速率。轉(zhuǎn)彈簧振的周期性正好可以來作為機表準(zhǔn)確計的依據(jù)。械表中的輪組是由在上游絲擺輪構(gòu)成，可以看機械表中輪的振動率相當(dāng)?shù)?。在擺輪部有另一淺紅色透的寶石，為車芯。然它很小但很重要 —— 當(dāng)擺輪轉(zhuǎn)起來，這個車會擊打擒叉的另一，讓擒縱滴答滴答擺起來。我們先來看擺輪是樣與其他件一起運的。再湊看看到底生了什么當(dāng)擺輪帶車芯擺過時，車芯撞擊擒縱，從而縱擒縱輪。旦縱開，主發(fā)條驅(qū)的擒縱輪推動擒縱，擒縱叉會通過車反過來推回擺輪本。這使得輪獲得了些能量，它在之后段時間不停下來 —— 這相當(dāng)于給蕩秋的人一個力。當(dāng)擺擺回來時它會執(zhí)行同的操作只不過是另一個方完成的。也許還注到了擺輪的圓盤有個凹口，與擒縱叉端的小角間有一個妙的像舞一樣的運模式。這部分確保擒縱叉只在適當(dāng)?shù)?候擺至一 —— 這是一種安機制，可防止手表搖晃或掉時被鎖死一旦擒縱縱開擒縱，這個輪就得迅速開始轉(zhuǎn)動這就是為么齒輪組打了孔 —— 這么做可以減少動慣量，得發(fā)條盒以更快地動它們。有一個很要的地方齒輪組不是放大齒的轉(zhuǎn)速，減小了作在擺輪組的力。發(fā)盒本身會很大的轉(zhuǎn)扭矩，但擒縱輪上這個扭矩大地減小，這防止擒縱輪過猛烈地推擒縱叉和輪。讓我最后一次看到目前止所搭建整個機構(gòu)我現(xiàn)在把調(diào)到正常運轉(zhuǎn)速度在這個表運動中，輪在每秒做了 4 次完整的復(fù)擺動，個循環(huán)各打兩次擒叉，所以秒總共擊 8 次，每小時擊 28800 次。當(dāng)然，不同表也許會不同的速，但它們秒針都在秒鐘完成次微小的動，以使械表的指運動變得分平滑。論上，我這里搭建的所有零已經(jīng)足夠一個手表轉(zhuǎn)，但我還缺了億細節(jié)。更要的是，們已經(jīng)完的這些零全是放置空氣里的所以下一，我們將它們組裝一個完整手表機芯本文來自信公眾號中科院物所 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻譯：羊，審校藏?