劇情簡介
在充滿智能設(shè)備現(xiàn)代，你可能很想象，就在幾十前，世界上最方的計時設(shè)備是機表。不同于石英和智能手表，它需要任何電池或他電子元件。本我就來講講下圖示的機械表的工原理。這里拆開露出的就是機芯 —— 機械表的內(nèi)部，它通常被封在金屬殼內(nèi)。本并不關(guān)心外殼，是關(guān)注里頭的機，畢竟那才是這作品的靈魂所在整個手表機芯有多部件，光是每部件的專業(yè)名稱會讓人頭大，但你不用急著記它，我會用同樣的色標注專業(yè)名稱對應(yīng)圖片上的部。任何一個機械的計時系統(tǒng)都是于 7 個主要部分構(gòu)成，我們可把它們排成一行便于展示。7 個部件看起來不算，但它們本身還很多有趣的細節(jié)正是這些細節(jié)讓針以正確的速度轉(zhuǎn)。讓我們從動源開始，探尋這個奇妙裝置的工原理。動力源純械設(shè)備有幾種不的供能方式，最單的方法之一，把能量存在彈簧。我們最常見到彈簧是螺線管式。比如當你壓下個彈簧上所掛著載荷時，它就會存能量，再放開簧，它就會釋放量并彈起來。機表通常使用另一彈簧 —— 螺旋形的扭轉(zhuǎn)彈簧。它被扭轉(zhuǎn)時，它存儲上了能量，放開后，它就會相反方向扭轉(zhuǎn)，振蕩回自然的松狀態(tài)。在機械表，我們最終是想指針旋轉(zhuǎn)來指示間，而扭轉(zhuǎn)彈簧供的旋轉(zhuǎn)力矩正是滿足這一需要一般來說，機械里的發(fā)條彈簧有復(fù)雜的形狀，就下圖中一開始的弛狀態(tài)那樣。如你將它懸空并卷它，然后釋放開它會迅速地恢復(fù)形。你可以看到這個發(fā)條彈簧非強，它很容易迅地展開成那種復(fù)的形狀。為了安發(fā)條，我們須要它放進外殼中，個外殼稱為發(fā)條。一旦放入發(fā)條內(nèi)，盡管發(fā)條還想展開回原來的狀，但發(fā)條盒的會將它固定在盒。這樣，發(fā)條就機械表儲存住了量。這一點非常要，所以這個發(fā)也被稱作“主發(fā)”。但這還沒有事大吉，因為現(xiàn)主發(fā)條已經(jīng)在盒展開到最大的程了，我們沒辦法這種狀態(tài)的彈簧提取能量用來驅(qū)機械表。為了讓發(fā)條收縮回去以存更多的能量，們需要先在它的側(cè)加一個發(fā)條軸。如果你近距離察，你會在圖示央看到主發(fā)條的端有一個小孔。條軸心有一個小子，可以鉤住這孔。轉(zhuǎn)動發(fā)條軸，它就會帶動主條一起繞轉(zhuǎn)。在圖中，我們固定條盒，上好發(fā)條釋放它。固定發(fā)盒，釋放發(fā)條軸可以看到，一旦開發(fā)條軸心，主條會帶著軸心一轉(zhuǎn)回去。但這不我們想要的，我想要的是發(fā)條盒動，這樣盒邊緣齒輪才能帶動表其他部件。為了主發(fā)條能老老實工作，我們在提能量時需要固定條軸心，而不是定發(fā)條盒。固定條軸心，釋放發(fā)盒馬上我們就會道如何在實際中用它，不過現(xiàn)在我們先假設(shè)發(fā)條心是緊緊固定住，主發(fā)條會帶動條盒，也就是上展示的那樣。然，我們把主發(fā)條發(fā)條盒放一放，看看另外兩個能機械表工作得更靠的小玩意。首回顧一下發(fā)條在弛時的狀態(tài)。附主發(fā)條上的金屬向外側(cè)提供了額的張力。這個金條很想彈回直線形狀，所以它推發(fā)條盒的壁，形一個巨大的摩擦來維持金屬端的條相對盒壁不動這樣，當發(fā)條軸轉(zhuǎn)動發(fā)條內(nèi)端時發(fā)條的外端是被定住的。另外，果我們不停地轉(zhuǎn)發(fā)條，當張力超它的最大彈性范時，摩擦力會被服，主發(fā)條的外會貼著盒壁向內(nèi)動，這起到了一防止部件破裂的全保障作用。我已經(jīng)看到，主發(fā)在松弛狀態(tài)下呈個 S 形，它的局部曲司幽是不斷化的，這有助于發(fā)條在盒內(nèi)平衡同部位的張力。意，繞轉(zhuǎn)后發(fā)條內(nèi)端的曲率半徑外端更小。如果然松弛的發(fā)條是個直直的金屬條那么繞轉(zhuǎn)后，發(fā)內(nèi)端比外端彎曲更厲害。S 形發(fā)條的外端則會具和內(nèi)端相似的張，因為它想恢復(fù) S 形中那一段是向相熏池方向彎的。為了保護主條，防止灰塵進，我們用一個蓋將發(fā)條盒蓋上。們已經(jīng)成功讓一部件能夠轉(zhuǎn)起來，有人會天真地，我們接下來只在發(fā)條盒上加上個指針就能計時。想啥呢，照這方法得到的只會下圖這樣，它壓不能工作。發(fā)現(xiàn)嗎，指針轉(zhuǎn)得太了，它在轉(zhuǎn)幾圈就耗光了發(fā)條盒主發(fā)條所儲存的量，這種裝置不可靠地計時。所顯然，我們還有多地方需要改進如果我們想要機表上一次發(fā)條后續(xù)工作 40 個小時，我們需要針在這期間轉(zhuǎn) 40 圈。此外，秒針還得白虎上 40 × 60 = 2400 圈。我們需要找到一個法，將發(fā)條盒短間的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成針持久的轉(zhuǎn)動，就需要齒輪了。輪齒輪可以用在個轉(zhuǎn)軸間來改變速，你可以觀察圖中每個齒輪上小黑點來感受這作用。圖中較大紅色齒輪帶動較的黃色齒輪，使黃色齒輪花更少時間就能轉(zhuǎn)一圈對于兩個匹配的輪，它們的齒數(shù)定了轉(zhuǎn)速關(guān)系。于一個齒輪上的一顆齒來說，它與另一個齒輪上齒隙相貼合，所在一個單位時間，兩個齒輪轉(zhuǎn)過齒數(shù)是一樣的。果兩個齒輪的齒不一樣，那它們一圈的時間就會一樣。下圖中紅是驅(qū)動齒輪，黃是從動齒輪，改兩個齒輪的齒數(shù)，就可以看到齒比是如何影響黃齒輪的轉(zhuǎn)速的。些齒輪的設(shè)計目是相互嚙合，所齒數(shù)比就等于齒半徑之比。當驅(qū)齒輪的齒數(shù)更多，從動齒輪轉(zhuǎn)得快。利用這一性，我們可以使秒的轉(zhuǎn)速達到發(fā)條轉(zhuǎn)速的數(shù)倍?，F(xiàn)我們來考慮一下們需要將轉(zhuǎn)速提多少。上一次發(fā)可以使發(fā)條盒轉(zhuǎn)近 7 圈，但在這段時間里，我想讓秒針轉(zhuǎn) 2400 圈。我們需要讓齒岷山比，或說齒輪半徑之比約為 343:1。讓我們看看如實際中造出這樣齒輪會是什么樣。你可以看到，樣巨大的半徑比荒謬的。為了讓色齒輪能裝進一大小合理的手表，黃色齒輪會變很小，而且兩個輪的齒也會變得小而脆弱。所以機械表采用另一方案，它使用一列成對的齒輪，一對都能在一定度上增加轉(zhuǎn)速。四個齒輪為例，意看大部分轉(zhuǎn)軸有兩個齒輪：第個輪子是發(fā)條盒它驅(qū)動第二個輪再驅(qū)動第三個輪最后驅(qū)動第四個。注意到每個大輪驅(qū)動小齒輪，以英語中專門用 pinion 來稱呼這個小齒輪小齒輪和在下一中的大齒輪安裝同一個轉(zhuǎn)軸上，以我們可以不斷增加每個軸的轉(zhuǎn)。這種方法有個著的優(yōu)點 —— 可以讓整個機構(gòu)得更小，而且可利用中介齒輪以低的轉(zhuǎn)速驅(qū)動分和時針。在我們束齒輪這一章節(jié)，再來注意一下的形狀。大多數(shù)型機械使用的是開線形狀的齒，機械表通常使用線形狀的齒。拽一根貼在圓上的子形成漸開線，上面每一點的法都與生成圓相切符合齒輪上力的動規(guī)律的需求。的形狀從齒根圓 (dedendum circle) 開始，再到作為漸開線生成圓基圓 (base circle)，然后漸開線穿作為兩齒輪嚙合效圓的節(jié)圓 (pitch circle)，最后到齒冠圓 (addendum circle) 結(jié)束。而擺線采用另種構(gòu)造方式：一圓在另一個圓的面滾動形成擺線 | 圖源：tec-science擺線形使得嚙合移動得更加順滑且嚙合點的法線指向節(jié)點 C，這能降低表面壓力減少磨損，但這加工精度的要求高 | 圖源：tec-science讓我們回歸正題，轉(zhuǎn)動發(fā)條軸上緊主發(fā)條，看加上齒輪組后機表工作得怎么樣成功了！我們已實現(xiàn)了發(fā)條盒轉(zhuǎn)圈時秒針轉(zhuǎn)數(shù)圈目標，但針的轉(zhuǎn)完全不可控。我需要找到一個控主發(fā)條能量釋放率的方法，這就請出擒縱機構(gòu)了擒縱機構(gòu)擒縱機由兩個部分組成 —— 擒縱輪和擒縱叉。注意擒縱齒的特殊形狀，與我們之前見到齒輪有很大不同它的頂部有一個狀規(guī)則的齒輪，用來接收傳動過的力以驅(qū)動整個縱輪。擒縱叉本由金屬制成，但頂端的兩個淺紅透明部分是由人紅寶石制成的。種材料不僅十分硬耐磨，而且與有很低的摩擦系。從這兩個部件相工作的方式，就能看出為什么兩個性質(zhì)很重要。擒縱輪想按紅箭頭指示的方向轉(zhuǎn)，而擒縱叉會礙這個運動。當們前后擺動擒縱時，我們就讓擒輪短暫地“縱開了束縛，然后又擒縱叉“擒住”我們稍后再來詳看看它們交互工的方式。現(xiàn)在，種擒縱機構(gòu)能讓們通過擺動擒縱控制擒縱輪的轉(zhuǎn)。讓我們上好發(fā)，然后手動擺動縱叉，看看這個構(gòu)是如何與裝置其他部分配合的主發(fā)條的彈力帶了擒縱輪，但擒叉只允許它在很的時間內(nèi)運動。齒輪減速的作用，發(fā)條盒的轉(zhuǎn)動乎不可見。然而如果你觀察第四齒輪上的指針，就能看到它隨著縱叉的擺動而平地轉(zhuǎn)動。這個小的計時裝置快要成了，剩余的最一步是怎么讓擒叉自動地擺動。而，為了讓表準地計時，這個擺必須有適當?shù)墓?jié)。這就要引入機表跳動的心臟 —— 擺輪組。擺輪組讓我們先回顧一開始展示過的轉(zhuǎn)彈簧，當你扭它，它會開始振，過一會才會停來。我們可以通調(diào)整兩個參數(shù)控這個振動周期。一個是彈簧的勁系數(shù)，主要取決彈簧的寬度、厚、長度和組成材。第二個是質(zhì)量質(zhì)量分布，或者準確地說，是彈所轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)慣量。質(zhì)量越大物質(zhì)離轉(zhuǎn)軸越遠轉(zhuǎn)動慣量就越大通過仔細地調(diào)節(jié)些參數(shù)，我們可讓這個系統(tǒng)達到要的振動速率。轉(zhuǎn)彈簧振動的周性，正好可以用作為機械表準確時的依據(jù)。機械中的擺輪組是由在上游絲的擺輪成的，可以看到械表中擺輪的振頻率相當?shù)馗摺?擺輪底部有另一淺紅色透明的寶，稱為車芯。雖它很小，但很重 —— 當擺輪轉(zhuǎn)起來時，這個車會擊打擒縱叉的一端，讓擒縱叉答滴答地擺起來讓我們先來看看輪是怎樣與其他件一起運作的。湊近看看到底發(fā)了什么。當擺輪著車芯擺過來時車芯會撞擊擒縱，從而縱開擒縱。一旦縱開，由發(fā)條驅(qū)動的擒縱會推動擒縱叉，縱叉又會通過車反過來推動回擺本身。這使得擺獲得了一些能量使它在之后一段間不會停下來 —— 這相當于給蕩秋千的人一個推。當擺輪擺回來，它會執(zhí)行相同操作，只不過是另一個方向完成。你也許還注意了擺輪上的圓盤一個凹口，它與縱叉末端的小角間有一個精妙的舞蹈一樣的運動式。這些部分確了擒縱叉只能在當?shù)臅r候擺至一 —— 這是一種安全機制，可以止手表在搖晃或落時被鎖死。一擒縱叉縱開擒縱，這個輪子就得速地開始轉(zhuǎn)動。就是為什么齒輪上打了孔 —— 這么做可以減少動慣量，使得發(fā)盒可以更快地驅(qū)它們。還有一個重要的地方，齒組不只是放大齒的轉(zhuǎn)速，還減小作用在擺輪組上力。發(fā)條盒本身有很大的轉(zhuǎn)動扭，但到擒縱輪上這個扭矩極大地小了，這防止了縱輪過于猛烈地動擒縱叉和擺輪讓我們最后一次看到目前為止所建的整個機構(gòu)。現(xiàn)在把它調(diào)到正的運轉(zhuǎn)速度。在個表的運動中，輪在每秒中做了 4 次完整的往復(fù)擺動，每個循環(huán)擊打兩次擒縱叉所以每秒總共擊 8 次，每小時擊打 28800 次。當然，不同手表也倍伐會有不的速率，但它們秒針都在每秒鐘成數(shù)次微小的轉(zhuǎn)，以使機械表的針運動變得十分滑。理論上，我這里搭建好的所零件已經(jīng)足夠使個手表運轉(zhuǎn)，但們還缺了億些細。更重要的是，們已經(jīng)完成的這零件全是放置在氣里的，所以下期，我們將把它組裝成一個完整手表機芯。本文自微信公眾號：科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻譯：牧羊，審校：藏?
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