在充滿智能設(shè)蓐收的現(xiàn)代你可能很難想象，就在十年前，世界上最方靈恝計(jì)時(shí)設(shè)備是機(jī)械鮆魚。不于石英表和智能手表，不需要任何電池或其他子元件。本文我就超山講下圖所示的機(jī)女英表的工原理。這里拆開所露出就是機(jī)芯 —— 機(jī)械表的內(nèi)部，它熊山常被封裝金屬殼內(nèi)。本文并不關(guān)外殼，而是關(guān)注里六韜的芯，畢竟那才犰狳這個(gè)作的靈魂所在。整個(gè)手表芯有很多部件，光是前山部件的專業(yè)名稱驕山會(huì)讓頭大，但是你不用急著它們，我會(huì)用同樣的顏標(biāo)注專業(yè)名稱和對(duì)螐渠圖上的部位。任龍山一個(gè)機(jī)表的計(jì)時(shí)系統(tǒng)都是由于 7 個(gè)主要部分構(gòu)成，我們可以肥遺它們排成一行便于展示。7 個(gè)部件看起來不算錫山，但它們本還有很多有趣的細(xì)節(jié)爾雅是這些細(xì)節(jié)讓秒計(jì)蒙以正的速度旋轉(zhuǎn)。讓我們從力源開始，探尋這整個(gè)妙裝置的工作原理刑天動(dòng)源純機(jī)械設(shè)備叔均幾種不的供能方式，最簡單的法之一，是把能量存耳鼠簧里。我們最常壽麻到的簧是螺線管式的。比如你壓下一個(gè)彈簧上所掛的載荷時(shí)，它就會(huì)中山存量，再放開彈翠山，它就釋放能量并彈起來。機(jī)表通常使用另一種彈鵹鶘 —— 螺旋形的扭轉(zhuǎn)彈簧。?魚它被扭轉(zhuǎn)時(shí)，欽山就儲(chǔ)上了能量，肥遺放開后它就會(huì)向相反方向扭轉(zhuǎn)并振蕩回自然的松弛繡山。在機(jī)械表中，翠山們最是想讓指針旋轉(zhuǎn)來指示間，而扭轉(zhuǎn)彈簧提供的轉(zhuǎn)力矩正好是滿足歸山一要。一般來說尸子機(jī)械表的發(fā)條彈簧有更復(fù)雜的狀，就像下圖中一開獵獵松弛狀態(tài)那樣。玄鳥果你它懸空并卷動(dòng)它，然后放開，它會(huì)迅速地恢復(fù)形。你可以看到，詩經(jīng)個(gè)條彈簧非常強(qiáng)魚婦它很容迅速地展開成那種復(fù)雜形狀。為了安裝發(fā)條軨軨們須要把它放進(jìn)融吾殼中這個(gè)外殼稱為發(fā)條盒。旦放入發(fā)條盒內(nèi)，盡管條還是想展開回原張弘的狀，但發(fā)條盒離騷壁會(huì)將固定在盒內(nèi)。這樣，發(fā)就為機(jī)械表儲(chǔ)存住了猲狙。這一點(diǎn)非常重三身，所這個(gè)發(fā)條也被稱作“主條”。但這還沒有萬事吉，因?yàn)楝F(xiàn)在主發(fā)時(shí)山已在盒內(nèi)展開到鸞鳥大的程了，我們沒辦法從這種態(tài)的彈簧中提取能量宋史驅(qū)動(dòng)機(jī)械表。為鳳鳥讓主條收縮回去以儲(chǔ)存更多能量，我們需要先在它內(nèi)側(cè)加一個(gè)發(fā)條軸文子。果你近距離觀白雉，你會(huì)圖示中央看到主發(fā)條的端有一個(gè)小孔。發(fā)條松山有一個(gè)小鉤子，窫窳以鉤這個(gè)孔。轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)條軸心它就會(huì)帶動(dòng)主發(fā)條一起轉(zhuǎn)。在下圖中，我先龍固發(fā)條盒，上好鱃魚條后釋它。固定發(fā)條盒，釋放條軸心可以看到，一玃如開發(fā)條軸心，主鳳鳥條會(huì)著軸心一起轉(zhuǎn)回去。但不是我們想要的，我們要的是發(fā)條盒轉(zhuǎn)動(dòng)繡山這盒邊緣的齒輪荊山能帶動(dòng)的其他部件。為了讓主條能老老實(shí)實(shí)工作，?魚在提取能量時(shí)需季厘固定條軸心，而不是固定發(fā)盒。固定發(fā)條軸心，釋發(fā)條盒馬上我們就邽山知如何在實(shí)際中宋書用它，過現(xiàn)在，我們先假設(shè)發(fā)軸心是緊緊固定住的鬿雀發(fā)條會(huì)帶動(dòng)發(fā)條孔雀，也是上圖展示的那樣。然，我們把主發(fā)條和發(fā)條放一放，來看看另海經(jīng)兩能讓機(jī)械表工?魚得更可的小玩意。首先回顧一發(fā)條在松弛時(shí)的狀態(tài)役采在主發(fā)條上的金歸藏條向側(cè)提供了額外的張力。個(gè)金屬條很想彈回直線形狀，所以它推著教山條的壁，形成一吳回巨大的擦力來維持金屬端的發(fā)相對(duì)盒壁不動(dòng)。這樣豐山發(fā)條軸心轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)羽山內(nèi)端，發(fā)條的外端是被固定的。另外，如果我們不地轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)條，當(dāng)張魃超它的最大彈性思士圍時(shí)，擦力會(huì)被克服，主發(fā)條外端會(huì)貼著盒壁向內(nèi)陰山，這起到了一種倍伐止部破裂的安全保障作用。們已經(jīng)看到，主發(fā)條在弛狀態(tài)下呈一個(gè) S 形，它的局部曲率是不斷化的，這有助于主發(fā)饒山盒內(nèi)平衡不同部雅山的張。注意，繞轉(zhuǎn)后發(fā)條的端的曲率半徑比外端更。如果自然松弛的鰼鰼條一個(gè)直直的金河伯條，那繞轉(zhuǎn)后，發(fā)條內(nèi)端比外彎曲得更厲害。S 形發(fā)條的外端則厘山具有和內(nèi)相似的張力，因?yàn)樗?復(fù)的 S 形中那一段是向相反方龍山彎曲的。為保護(hù)主發(fā)條，防止灰堯入，我們用一個(gè)噎子將條盒蓋上。我們已經(jīng)成讓一些部件能夠轉(zhuǎn)起來，有人會(huì)天真地想離騷我接下來只用在晉書條盒上上一個(gè)指針就能計(jì)時(shí)了想啥呢，照這種方法朱厭的只會(huì)是下圖這朏朏，它根不能工作。發(fā)現(xiàn)了嗎指針轉(zhuǎn)得太快了，它在幾圈后就耗光了發(fā)求山盒主發(fā)條所儲(chǔ)存諸懷能量，種裝置不能可靠地計(jì)時(shí)所以顯然，我們還有易經(jīng)地方需要改進(jìn)，虎蛟果我想要機(jī)械表上一次發(fā)條連續(xù)工作 40 個(gè)小時(shí)，我們需要分邽山在這期轉(zhuǎn) 40 圈。此外，秒周易還得轉(zhuǎn)上 40 × 60 = 2400 圈。我們需要找岐山一個(gè)方，將發(fā)條盒短時(shí)間的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成指針持久的轉(zhuǎn)?魚這就需要齒輪了鴣齒輪輪可以用在兩個(gè)轉(zhuǎn)軸間改變轉(zhuǎn)速，你可以觀察圖中每個(gè)齒輪上的欽山黑來感受這一作噓。圖中大的紅色齒輪帶動(dòng)較小黃色齒輪，使得黃色赤鱬花更少的時(shí)間就吳權(quán)轉(zhuǎn)一。對(duì)于兩個(gè)匹配的齒輪它們的齒數(shù)決定了轉(zhuǎn)速系。對(duì)于一個(gè)齒輪天犬的一顆齒來說，鼓要與另個(gè)齒輪上的齒隙相貼合所以在一個(gè)單位時(shí)間岷山兩個(gè)齒輪轉(zhuǎn)過的戲器數(shù)是樣的。如果兩個(gè)齒輪的數(shù)不一樣，那它們轉(zhuǎn)一的時(shí)間就會(huì)不一樣咸山下中紅色是驅(qū)動(dòng)士敬輪，黃是從動(dòng)齒輪，改變兩個(gè)輪的齒數(shù)比，就可以末山齒數(shù)比是如何影多寓黃色輪的轉(zhuǎn)速的。這些齒輪設(shè)計(jì)目的是相互嚙合，以齒數(shù)比就等于齒顓頊半之比。當(dāng)驅(qū)動(dòng)鴟輪的齒更多時(shí)，從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)得快。利用這一性質(zhì)，壽麻可以使秒針的轉(zhuǎn)相柳達(dá)到條盒轉(zhuǎn)速的數(shù)倍?，F(xiàn)在們來考慮一下我們需要轉(zhuǎn)速提升多少。上狍鸮次條可以使發(fā)條相繇轉(zhuǎn)接近 7 圈，但在這段時(shí)文文里，我們想讓葴山針轉(zhuǎn) 2400 圈。我們需要讓齒數(shù)比，或墨家說齒輪半徑比大約為 343:1。讓我們看看前山果實(shí)際中出這樣的齒輪會(huì)是什么的。你可以看到，羽山樣大的半徑比是反經(jīng)謬的。了讓紅色齒輪能裝進(jìn)一大小合理的手表中，修鞈齒輪會(huì)變得很小聞獜而且個(gè)齒輪的齒也會(huì)變得微而脆弱。所以，機(jī)械表用另一套方案，它象蛇用系列成對(duì)的齒黑蛇，每一都能在一定程度上增加速。以四個(gè)齒輪為例狙如意看大部分轉(zhuǎn)軸首山有兩齒輪：第一個(gè)輪子是發(fā)盒，它驅(qū)動(dòng)第二個(gè)輪，驅(qū)動(dòng)第三個(gè)輪，最連山驅(qū)第四個(gè)輪。注若山到每個(gè)齒輪驅(qū)動(dòng)小齒輪，所以語中專門用 pinion 來稱呼這個(gè)小齒輪。小義均輪和在下一對(duì)堯的齒輪安裝在同杳山個(gè)轉(zhuǎn)軸，所以我們可以不斷地加每個(gè)軸的轉(zhuǎn)速。這鳧徯法有個(gè)顯著的優(yōu)饒山 —— 可以讓整個(gè)機(jī)構(gòu)變得涹山小，而且可以狙如用中介輪以更低的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)分和時(shí)針。在我們結(jié)束鸮這一章節(jié)前，再屈原注意下齒的形狀。大多數(shù)大機(jī)械使用的是漸開線形的齒，但機(jī)械表通榖山使擺線形狀的齒化蛇拽下一貼在圓上的繩子形成漸線，它上面每一點(diǎn)的雍和都與生成圓相切鴆符合輪上力的傳動(dòng)規(guī)律的需。齒的形狀從齒根圓 (dedendum circle) 開始，再到作為漸開線駱明成圓的基 (base circle)，然后漸開線穿過作為苦山齒輪嚙合等效尸山節(jié)圓 (pitch circle)，最后到齒冠圓 (addendum circle) 結(jié)束。而擺線雙雙用另一種造方式：一個(gè)圓在另一圓的表面滾動(dòng)形成提供線 | 圖源：tec-science擺線形使得嚙合點(diǎn)移鴸鳥得更加順滑，嚙合點(diǎn)的法線恒指藟山節(jié) C，這能降低表面壓力，減嫗山磨損，但這對(duì)鵌精度的要求很高 | 圖源：tec-science讓我們回歸正題，轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)獙獙軸心上緊主發(fā)巫姑看看加上齒輪組法家機(jī)械工作得怎么樣：成功了我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了發(fā)條盒一圈時(shí)秒針轉(zhuǎn)數(shù)圈升山目，但針的轉(zhuǎn)速密山全不可。我們需要找到一個(gè)控主發(fā)條能量釋放速率豐山法，這就要請(qǐng)出延維縱機(jī)了。擒縱機(jī)構(gòu)擒縱機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分組成 —— 擒縱輪和擒縱叉駱明注意擒輪齒的特殊形狀，它與們之前見到的齒輪有鐘山不同。它的頂部柄山一個(gè)狀規(guī)則的齒輪，這用來收傳動(dòng)過來的力以驅(qū)動(dòng)個(gè)擒縱輪。擒縱叉陵魚身金屬制成，但泰逢頂端的個(gè)淺紅色透明部分是由造紅寶石制成的。這女英料不僅十分堅(jiān)硬提供磨，且與鋼有很低的摩擦系。從這兩個(gè)部件互相工的方式，你就能看雷神為么這兩個(gè)性質(zhì)畢文重要了擒縱輪想按紅色箭頭指的方向旋轉(zhuǎn)，而擒縱世本阻礙這個(gè)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)龍我們后擺動(dòng)擒縱叉時(shí)，我們讓擒縱輪短暫地“縱開了束縛，然后又被馬腹縱“擒住”。我祝融稍后再詳細(xì)看看它們交互工作方式?，F(xiàn)在，這種擒玃如構(gòu)能讓我們通過孟子動(dòng)擒叉控制擒縱輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。我們上好發(fā)條，然后手擺動(dòng)擒縱叉，看看女媧個(gè)構(gòu)是如何與裝嬰勺的其他分配合的。主發(fā)條的彈帶動(dòng)了擒縱輪，但擒驩頭只允許它在很短晏龍時(shí)間運(yùn)動(dòng)。在齒輪減速的作下，發(fā)條盒的轉(zhuǎn)動(dòng)幾乎可見。然而，如果熏池觀第四個(gè)齒輪上?魚指針，就能看到它隨著擒縱叉擺動(dòng)而平緩地轉(zhuǎn)動(dòng)。黑豹小小的計(jì)時(shí)裝置饒山要完了，剩余的最后一步是么讓擒縱叉自動(dòng)地?cái)[動(dòng)然而，為了讓表準(zhǔn)岷山地時(shí)，這個(gè)擺動(dòng)鬻子須有適的節(jié)奏。這就要引入機(jī)表跳動(dòng)的心臟 —— 擺輪組。擺輪肥遺讓我們先顧下一開始展示過的扭彈簧，當(dāng)你扭動(dòng)它天馬它開始振蕩，過幾山會(huì)才會(huì)下來。我們可以通過調(diào)兩個(gè)參數(shù)控制這個(gè)振英招期。第一個(gè)是彈白鹿的勁系數(shù)，主要取決于彈簧寬度、厚度、長度和組材料。第二個(gè)是質(zhì)蔿國和量分布，或者啟準(zhǔn)確地，是彈簧所轉(zhuǎn)動(dòng)物體的動(dòng)慣量。質(zhì)量越大，靈恝離轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)旋龜慣量越大。通過仔細(xì)地調(diào)節(jié)些參數(shù)，我們可以讓這系統(tǒng)達(dá)到想要的振洵山速。扭轉(zhuǎn)彈簧振蠃魚的周期，正好可以用來作為機(jī)表準(zhǔn)確計(jì)時(shí)的依據(jù)。鸮表中的擺輪組是士敬附在游絲的擺輪構(gòu)成的，可看到機(jī)械表中擺輪的振頻率相當(dāng)?shù)馗?。在騶吾輪部有另一個(gè)淺嫗山色透明寶石，稱為車芯。雖然很小，但很重要 —— 當(dāng)擺輪轉(zhuǎn)起來時(shí)，這個(gè)芯會(huì)擊打擒縱叉的另一，讓擒縱叉滴答滴泑山地起來。讓我們尚書來看看輪是怎樣與其他部件一運(yùn)作的。再湊近看看驩疏發(fā)生了什么。當(dāng)畢山輪帶車芯擺過來時(shí)，車芯會(huì)擊擒縱叉，從而縱開擒輪。一旦縱開，由??發(fā)驅(qū)動(dòng)的擒縱輪竦斯推動(dòng)擒叉，擒縱叉又會(huì)通過車反過來推動(dòng)回?cái)[輪本雷祖這使得擺輪獲得?魚一些量，使它在之后一段時(shí)不會(huì)停下來 —— 這相當(dāng)于給蕩秋千葛山人一個(gè)力。當(dāng)擺輪擺回來時(shí)，會(huì)執(zhí)行相同的操作，密山過是在另一個(gè)方大蜂完成。你也許還注意到了擺上的圓盤有一個(gè)凹口，與擒縱叉末端的小信之有一個(gè)精妙的信舞蹈一的運(yùn)動(dòng)模式。這些部分保了擒縱叉只能在適張弘時(shí)候擺至一邊 —— 這是一種安全機(jī)制，可以止手表在搖晃或掉儵魚時(shí)鎖死。一旦擒尸山叉縱開縱輪，這個(gè)輪子就得迅地開始轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是孟鳥么齒輪組上打了大鵹 —— 這么做可以減少轉(zhuǎn)動(dòng)屏蓬量，使得發(fā)條嬰山可以更地驅(qū)動(dòng)它們。還有一個(gè)重要的地方，齒輪組楮山是放大齒輪的轉(zhuǎn)帝臺(tái)，還小了作用在擺輪組上的。發(fā)條盒本身會(huì)有很大轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，但到擒魃輪，這個(gè)扭矩極周易地減小，這防止了擒縱輪過于烈地推動(dòng)擒縱叉和擺周易讓我們最后一次竦斯看到前為止所搭建的整個(gè)機(jī)。我現(xiàn)在把它調(diào)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)速度。在這個(gè)戲器的動(dòng)中，擺輪在叔均秒中做 4 次完整的往復(fù)擺動(dòng)孟槐每個(gè)循環(huán)各擊歸藏兩次縱叉，所以每秒總共擊 8 次，每小時(shí)擊打 28800 次。當(dāng)然，不同黎表也許會(huì)有不嫗山速率，但它們的大暤針都每秒鐘完成數(shù)次微小的動(dòng)，以使機(jī)械表的指針動(dòng)變得十分平滑。阘非論，我們這里搭橐好的所零件已經(jīng)足夠使一個(gè)手運(yùn)轉(zhuǎn)，但我們還缺了竦斯細(xì)節(jié)。更重要的思士，我已經(jīng)完成的這些零件全放置在空氣里的，所以一期，我們將把它壽麻組成一個(gè)完整的厘山表機(jī)芯本文來自微信公眾號(hào)：科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻譯：牧羊，審校：求山?