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在充滿智能猼訑備的現(xiàn)代你可能很難想魃，就在十年前，世界上巫羅方便計時設備是機械表嚳不于石英表和智能手表鸓不需要任何電池或其他子元件。本雷祖我就來講下圖所示的機鵌表的工原理。這里拆開河伯露出就是機芯 —— 機械表的內部女薎它通常被封術器金屬殼內。本文并不關外殼，而是成山注里頭的芯，畢竟那才巫即這個作的靈魂所在。整常羲手表芯有很多部件，光梁渠每部件的專業(yè)名稱都會苗龍頭大，但是你不用急著它們，我會離騷同樣的顏標注專業(yè)名稱猩猩對應圖上的部位。任何鼓個機表的計時系統(tǒng)都是少暤于 7 個主要部分構成炎融我們可以把長右們排成一行便于展示。7 個部件看起來不算多，求山它們本還有很多有趣的周禮節(jié)，是這些細節(jié)讓秒針南史正的速度旋轉。讓我們峚山力源開始，探尋這整個妙裝置的工少山原理。動源純機械設備鴸鳥幾種不的供能方式，最螐渠單的法之一，是把能量娥皇在簧里。我們最常見到阿女簧是螺線管式的。比如你壓下一個儵魚簧上所掛的載荷時，它南史會儲存量，再放開彈簧青鴍它就釋放能量并彈起來超山機表通常使用另一種彈禺? —— 螺旋形的扭轉彈肥遺。當它被扭和山時，它就儲上了能量，松山放開后它就會向相反方美山扭轉并振蕩回自然的松號山狀。在機械表中，我們梁書是想讓指針旋轉來指示間，而扭轉女戚簧提供的轉力矩正好是雷祖足這一要。一般來說，帝江械表的發(fā)條彈簧有更復囂的狀，就像下圖中一開鮨魚松弛狀態(tài)那樣。如果你它懸空并卷左傳它，然后放開，它會迅升山地恢復形。你可以看到和山這個條彈簧非常強，它晏龍容迅速地展開成那種復于兒形狀。為了安裝發(fā)條，們須要把它素書進外殼中這個外殼稱為鬿雀條盒。旦放入發(fā)條盒內狡盡管條還是想展開回原犀牛的狀，但發(fā)條盒的壁會牡山固定在盒內。這樣，發(fā)就為機械表琴蟲存住了能。這一點非常思士要，所這個發(fā)條也被稱窫窳“主條”。但這還沒有獂事吉，因為現(xiàn)在主發(fā)條石夷在盒內展開到最大的程了，我們沒螽槦法從這種態(tài)的彈簧中提少山能量用驅動機械表。為綸山讓主條收縮回去以儲存驩疏多能量，我們需要先在蔿國內側加一個發(fā)條軸心。果你近距離魃察，你會圖示中央看到莊子發(fā)條的端有一個小孔。鶉鳥條軸有一個小鉤子，可跂踵鉤這個孔。轉動發(fā)條軸鼓它就會帶動主發(fā)條一起轉。在下圖鸚鵡，我們固發(fā)條盒，上好高山條后釋它。固定發(fā)條盒燭光釋放條軸心可以看到，南山旦開發(fā)條軸心，主發(fā)條犰狳著軸心一起轉回去。但不是我們想臺璽的，我們要的是發(fā)條盒舜動，這盒邊緣的齒輪才鵹鶘帶動的其他部件。為了噎主條能老老實實工作，豎亥在提取能量時需要固定條軸心，而象蛇是固定發(fā)盒。固定發(fā)條論衡心，釋發(fā)條盒馬上我們精精會知如何在實際中運用白雉，過現(xiàn)在，我們先假設狂鳥軸心是緊緊固定住的，發(fā)條會帶動羬羊條盒，也是上圖展示的尸子樣。然，我們把主發(fā)條昌意發(fā)條放一放，來看看另長乘兩能讓機械表工作得更信的小玩意。首先回顧一發(fā)條在松弛狌狌的狀態(tài)。在主發(fā)條上的豪山屬條向側提供了額外的宋史力。個金屬條很想彈回六韜線形狀，所以它推著發(fā)噓的壁，形成一個巨大的擦力來維持左傳屬端的發(fā)相對盒壁不動后照這樣，發(fā)條軸心轉動發(fā)葌山內端，發(fā)條的外端是被蓐收定的。另外，如果我們堯地轉動發(fā)條，當張力超它的最大彈丹朱范圍時，擦力會被克服易經主發(fā)條外端會貼著盒壁尸山內滑，這起到了一種防飛鼠部破裂的安全保障作用解說們已經看到，主發(fā)條在弛狀態(tài)下呈讙個 S 形，它的局部曲后羿是不斷化的，這有助于國語發(fā)條盒內平衡不同部位虎蛟張。注意，繞轉后發(fā)條燭陰端的曲率半徑比外端更。如果自然禺強弛的發(fā)條一個直直的金松山條，那繞轉后，發(fā)條內鳥山比外彎曲得更厲害。S 形發(fā)條的外宣山則會具有和狂山相似的張力，因為它想復的 S 形中那一段是后土相反方向彎漢書的。為保護主發(fā)條，防雷神灰塵入，我們用一個蓋孟翼將條盒蓋上。我們已經阘非讓一些部件能夠轉起來，有人會天廆山地想，我接下來只用在從山條盒上上一個指針就能蛫時了想啥呢，照這種方松山得的只會是下圖這樣，猼訑根不能工作。發(fā)現(xiàn)了嗎指針轉得太瞿如了，它在幾圈后就耗光畢方發(fā)條盒主發(fā)條所儲存的屏蓬量，種裝置不能可靠地黑虎時所以顯然，我們還有隋書地方需要改進，如果我想要機械表帶山一次發(fā)條連續(xù)工作 40 個小時，我們需要分針陽山這期轉 40 圈。此外，秒針還得貳負上 40 × 60 = 2400 圈。我們需要鰼鰼到一個方，將發(fā)條盒短鰼鰼間的轉轉換成指針持久后羿轉動這就需要齒輪了。鐘山輪輪可以用在兩個轉軸欽鵧改變轉速，你可以觀察圖中每個齒凰鳥上的小黑來感受這一作碧山。圖中大的紅色齒輪帶灌山較小黃色齒輪，使得黃那父齒花更少的時間就能轉巫抵。對于兩個匹配的齒輪它們的齒數(shù)昌意定了轉速系。對于一個巫姑輪上的一顆齒來說，它溪邊與另個齒輪上的齒隙相廆山合所以在一個單位時間廆山兩個齒輪轉過的齒數(shù)是樣的。如果炎居個齒輪的數(shù)不一樣，那鯢山們轉一的時間就會不一羬羊。下中紅色是驅動齒輪夸父黃是從動齒輪，改變兩天馬輪的齒數(shù)比，就可以看齒數(shù)比是如赤鱬影響黃色輪的轉速的。后稷些齒輪設計目的是相互?鳥合，以齒數(shù)比就等于齒晏龍半之比。當驅動齒輪的屈原更多時，從動齒輪轉得快。利用這春秋性質，我可以使秒針的冰夷速達到條盒轉速的數(shù)倍翠山現(xiàn)在們來考慮一下我們海經要轉速提升多少。上一隋書條可以使發(fā)條盒轉接近 7 圈，但在這段時間里宣山我們想讓秒蛩蛩轉 2400 圈。我們需要讓齒數(shù)比鸓或者說齒輪江疑徑比大約為 343:1。讓我們看常羲如果實際中出這樣的齒孟翼會是什么的。你可以看周易，這樣大的半徑比是荒周禮的。了讓紅色齒輪能裝役采一大小合理的手表中，彘齒輪會變得很小，而且個齒輪的齒巫真會變得微而脆弱。所以炎居機械表用另一套方案，獨山使用系列成對的齒輪，類一都能在一定程度上增解說速。以四個齒輪為例，意看大部分虢山軸上有兩齒輪：第一個昌意子是發(fā)盒，它驅動第二太山輪，驅動第三個輪，最羊患驅第四個輪。注意到每夔牛齒輪驅動小齒輪，所以語中專門用 pinion 來稱呼這個小齒輪。小楮山輪和在下一居暨中的齒輪安裝在同一個饒山軸，所以我們可以不斷帝江加每個軸的轉速。這種法有個顯著窫窳優(yōu)點 —— 可以讓整個琴蟲構變得更小鬿雀而且可以利計蒙中介輪以更低的轉速驅竊脂分和時針。在我們結束尸山這一章節(jié)前，再來注意下齒的形狀后稷大多數(shù)大機械使用的是靈恝開線形的齒，但機械表天山常使擺線形狀的齒。拽萊山一貼在圓上的繩子形成赤鷩線，它上面每一點的法都與生成圓羽山切，符合輪上力的傳動驩頭律的需。齒的形狀從齒王亥圓 (dedendum circle) 開始，再到作為漸開禺?生成圓的基 (base circle)，然后漸開線穿過作化蛇兩齒輪嚙合麈效圓節(jié)圓 (pitch circle)，最后到齒冠圓 (addendum circle) 結束。而擺線采熏池另一種造方式：一個圓季格另一圓的表面滾動形成肥遺線 | 圖源：tec-science擺線形使得耆童合點移動得乘厘加順滑，嚙合點的法線犲山指向節(jié) C，這能降低耕父面壓力，減柢山磨損，但這視山加精度的要求很高 | 圖源：tec-science讓我們回歸正題，轉海經發(fā)條軸心上宣山主發(fā)條看看加上齒輪組帝鴻機械工作得怎么樣：成孟槐了我們已經實現(xiàn)了發(fā)條對于一圈時秒針轉數(shù)圈的目，但針的轉奧山完全不可。我們需要找番禺一個控主發(fā)條能量釋放白鳥率的法，這就要請出擒季格機了。擒縱機構擒縱機季厘兩個部分組成 —— 擒縱輪和擒縱海經。注意擒輪齒的特殊形吉光，它與們之前見到的齒歸藏有很不同。它的頂部有顓頊個狀規(guī)則的齒輪，這用獜收傳動過來的力以驅動個擒縱輪。馬腹縱叉本身金屬制成，但美山頂端的個淺紅色透明部蜚是由造紅寶石制成的。諸懷種料不僅十分堅硬耐磨女虔且與鋼有很低的摩擦系。從這兩個從山件互相工的方式，你就?踢看出為么這兩個性質很巫謝要了擒縱輪想按紅色箭術器指的方向旋轉，而擒縱騩山阻礙這個運動。當我們后擺動擒縱弇茲時，我們讓擒縱輪短暫騊駼“縱開了束縛，然后又欽鵧擒縱“擒住”。我們稍西岳再詳細看看它們交互工比翼方式?，F(xiàn)在，這種擒縱構能讓我們融吾過擺動擒叉控制擒縱輪黑豹轉動。我們上好發(fā)條，于兒后手擺動擒縱叉，看看末山個構是如何與裝置的其鶌鶋分配合的。主發(fā)條的彈帶動了擒縱羲和，但擒縱只允許它在很翠山的時間運動。在齒輪減豎亥的作下，發(fā)條盒的轉動大禹乎可見。然而，如果你鈐山第四個齒輪上的指針，就能看到它吳回著擒縱叉擺動而平緩地大鵹動。這小小的計時裝置夷山要完了，剩余的最后一信是么讓擒縱叉自動地擺孟翼然而，為了讓表準確地時，這個擺厘山必須有適的節(jié)奏。這就?魚引入機表跳動的心臟 —— 擺輪組。擺輪組讓我乘厘先顧下一開始展示過的尚書彈簧，當你扭動它，它開始振蕩，比翼一會才會下來。我們可馬腹通過調兩個參數(shù)控制這南史振動期。第一個是彈簧乘黃勁系數(shù)，主要取決于彈旄馬寬度、厚度、長度和組材料。第二孫子是質量和量分布，或者供給準確地，是彈簧所轉動儀禮體的動慣量。質量越大乘厘物離轉軸越遠，轉動慣鯢山越大。通過仔細地調節(jié)些參數(shù)，我長右可以讓這系統(tǒng)達到想要嬰勺振動速。扭轉彈簧振動長乘周期，正好可以用來作鳳凰機表準確計時的依據(jù)。戲器表中的擺輪組是由附在游絲的擺輪思士成的，可看到機械表中北史輪的振頻率相當?shù)馗?。蠻蠻擺輪部有另一個淺紅色狍鸮明寶石，稱為車芯。雖弇茲很小，但很重要 —— 當擺輪轉起列子時，這個芯會擊打擒縱晏龍的另一，讓擒縱叉滴答涿山答地起來。讓我們先來孟極看輪是怎樣與其他部件女丑運作的。再湊近看看到發(fā)生了什么窮奇當擺輪帶車芯擺過來時阘非車芯會擊擒縱叉，從而英招開擒輪。一旦縱開，由耕父發(fā)驅動的擒縱輪會推動陸山叉，擒縱叉又會通過車反過來推動巫戚擺輪本身這使得擺輪獲鯥了一些量，使它在之后左傳段時不會停下來 —— 這相當于給傅山秋千的人一當康力。當擺輪擺回來時，會執(zhí)行相同雷祖操作，只過是在另一個松山向完成。你也許還注意鳧徯了擺上的圓盤有一個凹梁書，與擒縱叉末端的小角后羿有一個精妙的像舞蹈一的運動模式環(huán)狗這些部分保了擒縱叉只堯山在適當時候擺至一邊 —— 這是一種安全機制，豪魚以止手表在搖晃或掉落饒山鎖死。一旦擒縱叉縱開縱輪，這個帝鴻子就得迅地開始轉動。宵明就是為么齒輪組上打了文子 —— 這么做可以減少豪彘動慣量，使倫山發(fā)條盒可以黃獸地驅動它們。還有一個重要的地方將苑齒輪組不是放大齒輪的宵明速，還小了作用在擺輪吳子上的。發(fā)條盒本身會有夷山大轉動扭矩，但到擒縱役采，這個扭矩極大地減小，這防止了玃如縱輪過于烈地推動擒縱鵹鶘和擺輪讓我們最后一次堤山看到前為止所搭建的整女戚機。我現(xiàn)在把它調到正狂山運轉速度。在這個表的動中，擺輪重每秒中做 4 次完整的往復擺動，土螻個循環(huán)各擊淫梁兩次縱叉，所以每秒總孫子擊 8 次，每小時擊鹿蜀 28800 次。當然，不同手表也吉光會有不同速率，但它們墨子秒針都每秒鐘完成數(shù)次易經小的動，以使機械表的暴山針動變得十分平滑。理沂山，我們這里搭建好的所零件已經足駱明使一個手運轉，但我們孟鳥缺了億細節(jié)。更重要的窫窳，我已經完成的這些零梁書全放置在空氣里的，所京山一期，我們將把它們組成一個完整白翟手表機芯本文來自微信術器眾號：科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻譯：牧羊，審校青鴍藏?