上期我們介紹了機(jī)械表的發(fā)條、齒輪、擒縱機(jī)構(gòu)和擺輪組，本期我們繼續(xù)介紹機(jī)械表的機(jī)芯。
夾板
我們先從主夾板開始，它構(gòu)成了機(jī)芯的主體：
注意看，主夾板有很多不同的開口 —— 我們將在本節(jié)利用它們安裝之前搭好的部件。圖中的粉色部分也是紅寶石（與上期介紹的擒縱叉頂端的馬仔石和擺輪的車芯一樣）。它們作為軸承，使各部件的軸可以旋轉(zhuǎn)起來。讓我們近距離地看看它：
寶石里面有一個(gè)小腔。為了進(jìn)一步減少旋轉(zhuǎn)部件的能量損失，腔內(nèi)涂有少量的特殊潤滑油。潤滑油會粘在寶石和在寶石孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)的軸上，以進(jìn)一步減少摩擦，延長手表單次上發(fā)條后的運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)減少精密機(jī)械部件間的磨損。前兩個(gè)我們要安裝到主夾板上的零件是擒縱輪和擒縱叉：
安裝好這兩個(gè)零件后，我們再用擒縱夾板蓋住擒縱叉。夾板固定住擒縱叉轉(zhuǎn)軸的另一端，并通過兩個(gè)螺絲釘固定在主夾板上：
注意看，這個(gè)擒縱叉的擺動被擒縱夾板中央的兩個(gè)凸起的形狀限制住了：
這保證了擒縱輪推動擒縱叉的幅度只能到這里，再推就會被這些凸起攔住。接著，我們可以把剩下的齒輪安裝進(jìn)去。這四個(gè)齒輪的位置都是精心安排的，這使得它們只會占據(jù)一小部分空間。
注意看，第四個(gè)齒輪穿過了手表的正中央 —— 你可以在主夾板的另一面看到它穿過去的轉(zhuǎn)軸。在整個(gè)組裝過程的最后，我們將把秒針裝在這個(gè)長軸上。為了保證所有齒輪都被固定住，我們用齒輪組夾板把它們蓋上，這也為齒輪轉(zhuǎn)軸的另一端提供了固定點(diǎn)。齒輪組夾板也被螺絲固定在主夾板上，這樣所有東西都被固定好了。
核心零件中，只剩下擺輪組還沒裝上去了。它很特殊，需要專門設(shè)計(jì)的固定機(jī)構(gòu)。讓我們先把所有的部件裝上擺輪組夾板。
注意看，作為平衡彈簧的游絲非常精細(xì)，它的末端連接著擺輪。游絲的名字正是取自于它的精細(xì)，在英文中，它也因此被稱為 hairspring。黃色和青色的部位用來調(diào)節(jié)游絲的振動頻率。讓我們看看它們實(shí)際是怎么工作的：
黃色部位緊緊地固定著游絲，通過轉(zhuǎn)動它，我們可以調(diào)節(jié)擺輪和它上邊的車芯在自由松弛狀態(tài)時(shí)的位置。這保證了擺輪“滴”和“答”的擺動相位會經(jīng)歷相同的時(shí)間。青色部位可以在游絲上自由地滑動，它可以阻止游絲尾部的自由振動，從而改變游絲振動的有效長度。通過調(diào)節(jié)青色部位，我們可以調(diào)節(jié)擺輪擺動的周期，從而讓表走得稍微快些或慢些。我們還能通過調(diào)節(jié)頂部的螺絲，對走表的速度進(jìn)行精調(diào) —— 螺絲的頭并不居中，所以轉(zhuǎn)動它也會微微地轉(zhuǎn)動青色部位的小叉子。游絲是由特殊合金制成的，例如尼瓦洛克斯合金（Nivarox），它的勁度系數(shù)在不同溫度下保持不變，這提高了機(jī)械表走時(shí)的精度。安裝擺輪組的最后一步，是裝上防震機(jī)構(gòu)，它包含一個(gè)套子，兩塊寶石和一個(gè)固定用的小彈簧。
當(dāng)手表突然被震時(shí)，這個(gè)結(jié)構(gòu)能保護(hù)擺輪軸脆弱的尖端不會被震破。讓我們看看當(dāng)擺輪軸搖晃時(shí)，這些零件是如何一起起到保護(hù)作用的。
當(dāng)表被震動，擺輪軸運(yùn)動的能量會被彈簧吸收，這點(diǎn)和汽車的懸架系統(tǒng)很像。如果震動很強(qiáng)烈，那么擺輪軸更厚更強(qiáng)的部位將通過蓋子將負(fù)荷傳導(dǎo)出去，從而保護(hù)脆弱的軸尖。經(jīng)過這最后一步，我們終于把上期漂在空中的零部件完全地組裝成了手表機(jī)芯。但是，你也許還記得我曾略過了如何把主發(fā)條上緊的問題。如果我們直接用發(fā)條軸心來上緊發(fā)條，那么它會發(fā)生什么呢？為了清楚地解答這個(gè)問題，下圖我打開發(fā)條盒的蓋子，讓你能看清里面的發(fā)條：
只要發(fā)條軸心被固定著，主發(fā)條就能驅(qū)動機(jī)械表 —— 你可以在另一面看到附在第四個(gè)齒輪上的秒針轉(zhuǎn)了起來。然而，當(dāng)我們松開發(fā)條軸心，主發(fā)條就會“擺爛”—— 通過把軸心反向轉(zhuǎn)回去以釋放扭矩，這樣的話，發(fā)條會快速地丟失所儲存的能量，機(jī)械表也會停下來。為了防止主發(fā)條自發(fā)地反向轉(zhuǎn)動，我們需要防止發(fā)條軸心逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，但與此同時(shí)還要允許它順時(shí)針轉(zhuǎn)動，這樣我們才能上發(fā)條。這個(gè)問題看似復(fù)雜，但可以通過很簡單的裝置來解決，它就是棘爪，讓我們看看它是怎么工作的。
棘爪
為了繼續(xù)改進(jìn)我們的裝置，我們首先得裝上一個(gè)發(fā)條盒上夾板作為牢固的基板，它能固定發(fā)條盒，并且為其他部件提供固定結(jié)構(gòu)。由于這個(gè)夾板會遮住部分區(qū)域，我們先把一個(gè)小杠桿一起裝進(jìn)去，下期我們再回過來講講它的作用。
接著，我們用螺絲釘將一個(gè)棘輪固定在發(fā)條軸心上。棘輪有一個(gè)方形孔，這和發(fā)條軸心頂部的方形是相吻合的。
這個(gè)匹配的方形使棘輪可以帶著發(fā)條軸心一起轉(zhuǎn)動。我先暫時(shí)把螺絲去掉讓大家看得更清楚些：
現(xiàn)在裝上三個(gè)重要的零件。第一個(gè)零件是個(gè)小小的棘爪，我們先把它裝在發(fā)條盒上夾板敞開的頂部。
在它有限的角度內(nèi)，棘爪可以繞著它的軸轉(zhuǎn)動：
第二個(gè)零件是棘爪簧。這個(gè)金屬小玩意彈勁很強(qiáng)，當(dāng)我們壓緊它時(shí)，它會產(chǎn)生很強(qiáng)的回復(fù)力。
我們稍微壓緊點(diǎn)棘爪簧，然后把它放進(jìn)發(fā)條盒上夾板。
當(dāng)我們轉(zhuǎn)動棘爪并松開時(shí)，棘爪簧會在一瞬間把它推回去。
第三個(gè)零件是冠狀齒輪，它也安裝在發(fā)條盒上夾板上。它是被左手螺絲釘固定住的，這不同于大部分常規(guī)的齒輪，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)它才會上緊：
注意看冠狀齒輪的齒是如何嚙合棘輪的。雖然冠狀齒輪看起來每隔一個(gè)齒就缺一個(gè)齒，但它和棘輪依然可以嚙合并正常工作。冠狀齒輪的齒隙可以容納棘爪上的小桿子落入其中。如果我們逆時(shí)針轉(zhuǎn)動冠狀齒輪，他會嚙合棘輪并上緊發(fā)條。注意觀察冠狀齒輪的齒是如何將棘爪推開，而當(dāng)轉(zhuǎn)到齒隙，棘爪又是如何迅速彈回的。
當(dāng)棘爪彈回并撞擊冠狀齒輪時(shí)，它會發(fā)出咔噠聲，所以英文中它也叫“click”。逆時(shí)針轉(zhuǎn)動冠狀齒輪會上緊主發(fā)條，那反過來順時(shí)針轉(zhuǎn)會發(fā)生什么呢？在下面的模擬演示中，注意看冠狀齒輪的齒是如何被棘爪卡住的，這就能防止冠狀齒輪倒轉(zhuǎn)：
這個(gè)簡單的裝置能讓我們通過轉(zhuǎn)動冠狀齒輪來上發(fā)條，你可以看看下圖的演示。這個(gè)棘爪還能防止主發(fā)條自己反轉(zhuǎn)松開 —— 這也是為什么你不能反著拖動滑條的原因，除非你重啟整個(gè)演示控件。
手表另一面的秒針展示了如何計(jì)秒，但一個(gè)完整的表應(yīng)該同時(shí)顯示分鐘和時(shí)鐘。讓我們看看機(jī)械表是如何用一系列傳動齒輪完成這個(gè)目標(biāo)。
傳動齒輪
在我們的這個(gè)機(jī)芯里，秒針是裝在第四個(gè)傳動齒輪上的，因?yàn)樗妹糠昼娋_地轉(zhuǎn)一圈。為了讓分針也能以正確的速度轉(zhuǎn)動，我們需要一個(gè)比秒針齒輪轉(zhuǎn)速慢 60 倍的轉(zhuǎn)軸。好在，機(jī)械表機(jī)芯的設(shè)計(jì)者已經(jīng)用了一個(gè)絕妙的辦法，從另一個(gè)齒輪上“套”出了所需要的轉(zhuǎn)速。如果你從表的正面湊近看看，你會看見第三個(gè)輪上的小齒輪從一個(gè)小敞口露出來了一些。我們可以在表的中央套上一個(gè)輪管（因?yàn)樗袀€(gè)像加農(nóng)炮 cannon 一樣的管子，所以英文是 cannon pinion），輪管帶有一個(gè)驅(qū)動輪，我們把它嚙合到之前提到的小齒輪上：
當(dāng)第三個(gè)輪子轉(zhuǎn)動，它會帶動驅(qū)動輪和輪管。把分針裝在輪管上，我們就能記錄分鐘了 —— 其中所涉及到的齒輪都精確地設(shè)定好了齒數(shù)，以實(shí)現(xiàn)比秒針慢 60 倍的目的。我們可以從下圖看到秒針和分針是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的。下面的滑條模擬時(shí)間的流速，可以滑動它來控制演示時(shí)間的快慢。
時(shí)針要轉(zhuǎn)得比分針再慢 12 倍，但我們只用再加兩個(gè)齒輪就能實(shí)現(xiàn)它。將分針輪作為中介與輪管嚙合，然后時(shí)針輪與分針輪上的小齒輪嚙合：
時(shí)針輪松松地裝在輪管上，它們可以互相獨(dú)立地轉(zhuǎn)動。將時(shí)針裝在時(shí)針輪上，我們就完成了驅(qū)動表針的裝置。我還加上了一個(gè)刻度表盤，上面標(biāo)記了 12 個(gè)小時(shí)，它能讓我們準(zhǔn)確地讀出指針?biāo)甘镜臅r(shí)間。
計(jì)日功能
這個(gè)表的計(jì)日裝置由四個(gè)主要部分組成 —— 定位桿簧，指示齒輪，日期夾板與附在上面的齒輪，和印有所有可能的 31 個(gè)日期的日期環(huán)：
為了解釋它是如何工作的，我先把無關(guān)的零件隱藏掉。我還會去掉指示齒輪的蓋子，就能看到下面有一個(gè)小小的扭轉(zhuǎn)彈簧。讓我們看看這些零件是如何在時(shí)針輪的帶動下運(yùn)轉(zhuǎn)的。
當(dāng)時(shí)針輪轉(zhuǎn)動，它會帶動日期夾板的齒輪。另一面的小齒輪會帶動指示齒輪和它上面的扭轉(zhuǎn)彈簧。這個(gè)彈簧會被日期環(huán)上的齒絆住并變彎，但在某一刻，它會開始推動日期板。當(dāng)日期環(huán)轉(zhuǎn)動得足夠多時(shí)，定位桿簧會突然松開日期環(huán)，并讓它跳到下一個(gè)位置。你也許好奇為什么我們要設(shè)計(jì)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(shí)針輪帶著日期環(huán)轉(zhuǎn)起來就好了，就像我們之前讓分針輪帶著時(shí)針輪轉(zhuǎn)動那樣。非常抱歉，那樣會導(dǎo)致表盤小窗顯示出的“當(dāng)前日期”連續(xù)地轉(zhuǎn)動，這會讓人很難讀出究竟是哪一天。你可以在下圖左側(cè)看到這樣的效果。
在右側(cè)，你可以看到我們剛剛搭建的裝置所指示的日期 —— 它只會在午夜附近變化。你也許已經(jīng)意識到了，我們這個(gè)機(jī)芯的計(jì)日功能并不那么智能，它總是把每月計(jì)成 31 天，所以我們必須在小月份的最后一天結(jié)束后把表上的日期向后撥一天。另外，如果機(jī)械表有一陣子沒有運(yùn)行，那它的時(shí)間就會出錯(cuò)。我們需要找到一個(gè)給它校正日期和時(shí)間的方法。萬幸的是，驅(qū)動分針、時(shí)針和日期環(huán)的齒輪都是連接在一起的，所以我們只用調(diào)整其中一個(gè)齒輪，就能調(diào)整所有齒輪。我將短暫地在圖中隱藏時(shí)針輪以便于說明：
注意看，當(dāng)我轉(zhuǎn)動分針輪時(shí)，只有輪管轉(zhuǎn)動了。這個(gè)輪管緊緊地插在驅(qū)動齒輪里，所以它通?？梢员?strong>驅(qū)動齒輪帶動。然而，因?yàn)辇X輪組中的其他齒輪只能按發(fā)條盒的節(jié)奏轉(zhuǎn)動，設(shè)置時(shí)間的同時(shí)驅(qū)動齒輪會被其他齒輪阻礙而無法跟著一起轉(zhuǎn)，但輪管可以克服與驅(qū)動齒輪的摩擦，從而自己轉(zhuǎn)起來。這讓我們在不影響齒輪組的情況下設(shè)置時(shí)間，并且防止對精密部件造成破壞。安裝好時(shí)針輪，我們會看到轉(zhuǎn)動分針輪也會帶著調(diào)整時(shí)針，而且如果我們轉(zhuǎn)得足夠多，也能一起調(diào)整日期：
跟著一步步下來，我們的機(jī)械表變得越來越完善，但它還有一些不便之處。為了調(diào)整時(shí)間以及上發(fā)條，我們必須轉(zhuǎn)動機(jī)芯內(nèi)部的齒輪，而它們一般是被安全地放置在表殼內(nèi)的。另外，在每個(gè)少于 31 天的月份，我們現(xiàn)在都只能通過調(diào)整時(shí)間來調(diào)整日期，因?yàn)檫@是目前調(diào)整日期的唯一方式。理想情況下，我們應(yīng)該找到一種將設(shè)置日期獨(dú)立于設(shè)置時(shí)間的方法。為了解決這些問題，下一期我們將給機(jī)械表裝上轉(zhuǎn)柄，敬請期待。
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻譯：牧羊，審校：*0
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