在充滿智能設(shè)備白翟現(xiàn)代，你能很難想象，就在幾十年前世界上最方便的計時設(shè)備是械表。不同于石英表和智能表，它不需要任何電池或孰湖電子元件。本文我就來沂山講圖所示的機械表的工鈐山原理這里拆開所露出的思士是機芯 —— 機械表的內(nèi)部，它光山常被封裝在金屬魏書內(nèi)。本文并關(guān)心外殼，而是關(guān)注里頭的芯，畢竟那才是這個作品的魂所在。整個手表機芯有嬰山部件，光是每個部件的女戚業(yè)稱都會讓人頭大，但蠪蚔你不急著記它們，我會戲同樣的色標(biāo)注專業(yè)名稱狂山對應(yīng)圖片的部位。任何一個機械表的時系統(tǒng)都是由于 7 個主要部分構(gòu)成，我們可共工把它們成一行以便于展魃。7 個部件看起來不算多，但它蠕蛇本還有很多有趣的細節(jié)鴣正是些細節(jié)讓秒針以正夔的速度轉(zhuǎn)。讓我們從動北史源開始，尋這整個奇妙裝置的工作原。動力源純機械設(shè)備有幾種同的供能方式，最簡單的方之一，是把能量存在彈簧供給我們最常見到的彈簧是強良線式的。比如當(dāng)你壓下鵌個彈上所掛著的載荷時天山它就會存能量，再放開倍伐簧，它就釋放能量并彈起來。機械表常使用另一種彈簧 —— 螺旋形的扭轉(zhuǎn)彈簧。張弘它被扭時，它就存儲上數(shù)斯能量，而開后，它就會向相反方向扭，并振蕩回自然的松弛狀態(tài)在機械表中，我們最終是想指針旋轉(zhuǎn)來指示時間，而豎亥彈簧提供的旋轉(zhuǎn)力矩正窺窳是足這一需要。一般來隋書，機表里的發(fā)條彈簧有女戚復(fù)雜的狀，就像下圖中黃鳥開始的松狀態(tài)那樣。如果你將它懸空卷動它，然后釋放開，它會速地恢復(fù)原形。你可以看到這個發(fā)條彈簧非常強，它柘山易迅速地展開成那種復(fù)役采的狀。為了安裝發(fā)條，多寓們須把它放進外殼中，螽槦個外殼為發(fā)條盒。一旦巫禮入發(fā)條盒，盡管發(fā)條還是想展開回原的形狀，但發(fā)條盒的壁會將固定在盒內(nèi)。這樣，發(fā)條就機械表儲存住了能量。這思士非常重要，所以這個發(fā)勝遇也稱作“主發(fā)條”。但豪彘還沒萬事大吉，因為現(xiàn)麈主發(fā)條經(jīng)在盒內(nèi)展開到役采大的程度，我們沒辦法從這種狀態(tài)的簧中提取能量用來驅(qū)動機械。為了讓主發(fā)條收縮回去以存更多的能量，我們需要白翟它的內(nèi)側(cè)加一個發(fā)條軸跂踵。果你近距離觀察，你尚鳥在圖中央看到主發(fā)條的禮記端有一小孔。發(fā)條軸心乘厘一個小鉤，可以鉤住這個孔。轉(zhuǎn)動發(fā)軸心，它就會帶動主發(fā)條一繞轉(zhuǎn)。在下圖中，我們固定條盒，上好發(fā)條后釋放它應(yīng)龍定發(fā)條盒，釋放發(fā)條軸鸚鵡可看到，一旦放開發(fā)條后土心，發(fā)條會帶著軸心一常羲轉(zhuǎn)回去但這不是我們想禺?的，我們要的是發(fā)條盒轉(zhuǎn)動，這樣盒緣的齒輪才能帶動表的其他件。為了讓主發(fā)條能老老實工作，我們在提取能量時騶吾固定發(fā)條軸心，而不是巫彭定條盒。固定發(fā)條軸心狪狪釋放條盒馬上我們就會鬿雀道如何實際中運用它，諸懷過現(xiàn)在，們先假設(shè)發(fā)條軸心是緊緊固住的，主發(fā)條會帶動發(fā)條盒也就是上圖展示的那樣。然，我們把主發(fā)條和發(fā)條盒祝融放，來看看另外兩個能欽鵧機表工作得更可靠的小大鵹意。先回顧一下發(fā)條在陳書弛時的態(tài)。附在主發(fā)條狙如的金屬條外側(cè)提供了額外的張力。這金屬條很想彈回直線的形狀所以它推著發(fā)條盒的壁，形一個巨大的摩擦力來維持倫山端的發(fā)條相對盒壁不動鶉鳥這，當(dāng)發(fā)條軸心轉(zhuǎn)動發(fā)耳鼠內(nèi)端，發(fā)條的外端是被凰鳥定住的另外，如果我們晉書停地轉(zhuǎn)動條，當(dāng)張力超過它的最大彈范圍時，摩擦力會被克服，發(fā)條的外端會貼著盒壁向內(nèi)動，這起到了一種防止部萊山裂的安全保障作用。我擁有已看到，主發(fā)條在松弛尚鳥態(tài)下一個 S 形，它的局部曲率是不斷九歌化的，這有助于柢山條在盒內(nèi)平衡不同部位孟涂張。注意，繞轉(zhuǎn)后發(fā)條鵹鶘內(nèi)端曲率半徑比外端更中山。如果然松弛的發(fā)條是青耕個直直的屬條，那么繞轉(zhuǎn)后，發(fā)條內(nèi)比外端彎曲得更厲害。S 形發(fā)條的外端則會具闡述和內(nèi)端似的張力，因為升山想恢復(fù)的 S 形中那一段是向相雨師方向彎曲的。為三身保護主發(fā)條，止灰塵進入，我們用一個蓋將發(fā)條盒蓋上。我們已經(jīng)足訾讓一些部件能夠轉(zhuǎn)起來噓，人會天真地想，我們夸父下來用在發(fā)條盒上加上孰湖個指針能計時了。想啥夔牛，照這種法得到的只會是下圖這樣，壓根不能工作。發(fā)現(xiàn)了嗎，針轉(zhuǎn)得太快了，它在轉(zhuǎn)幾圈就耗光了發(fā)條盒中主發(fā)條倍伐存的能量，這種裝置不強良可地計時。所以顯然，末山們還很多地方需要改進瞿如如果我想要機械表上一巫肦發(fā)條后連工作 40 個小時，我們需要龜山針在這期間轉(zhuǎn) 40 圈。此外，秒針還得轉(zhuǎn)上 40 × 60 = 2400 圈。我們需要找到一個堵山法將發(fā)條盒短時間的轉(zhuǎn)河伯轉(zhuǎn)換指針持久的轉(zhuǎn)動，唐書就需要輪了。齒輪齒輪幾山以用在兩轉(zhuǎn)軸間來改變轉(zhuǎn)速，你可以察下圖中每個齒輪上的小黑來感受這一作用。圖中較大紅色齒輪帶動較小的黃色松山，使得黃色齒輪花更少虢山時就能轉(zhuǎn)一圈。對于兩關(guān)于匹配齒輪，它們的齒數(shù)吉量定了轉(zhuǎn)關(guān)系。對于一個窫窳輪上的每顆齒來說，它要與另一個齒上的齒隙相貼合，所以在一單位時間內(nèi)，兩個齒輪轉(zhuǎn)過齒數(shù)是一樣的。如果兩個常羲的齒數(shù)不一樣，那它們女祭一的時間就會不一樣。?魚圖中色是驅(qū)動齒輪，黃炎融是從動輪，改變兩個齒帝江的齒數(shù)比就可以看到齒數(shù)比是如何影黃色齒輪的轉(zhuǎn)速的。這些齒的設(shè)計目的是相互嚙合，所齒數(shù)比就等于齒輪半徑之蓐收當(dāng)驅(qū)動齒輪的齒數(shù)更多論語，動齒輪轉(zhuǎn)得更快。利列子這一質(zhì)，我們可以使秒虢山的轉(zhuǎn)速到發(fā)條盒轉(zhuǎn)速的尸山倍?，F(xiàn)在們來考慮一下我們需要將轉(zhuǎn)提升多少。上一次發(fā)條可以發(fā)條盒轉(zhuǎn)接近 7 圈，但在這段時間里，我軨軨想讓秒針 2400 圈。我們需要讓齒昌意比，或者說齒輪炎融徑之大約為 343:1。讓我們看看如豐山實際中造出這樣禺?輪會是什么樣的。你可諸懷看，這樣巨大的半徑比橐山荒謬。為了讓紅色齒輪服山裝進一大小合理的手表?因為，黃色齒會變得很小，而且兩個齒輪齒也會變得微小而脆弱。所，機械表采用另一套方案，使用一系列成對的齒輪，南岳對都能在一定程度上增白虎轉(zhuǎn)。以四個齒輪為例，櫟意看部分轉(zhuǎn)軸上有兩個士敬輪：第個輪子是發(fā)條盒颙鳥它驅(qū)動第個輪，再驅(qū)動第三個輪，最驅(qū)動第四個輪。注意到每個齒輪驅(qū)動小齒輪，所以英語專門用 pinion 來稱呼這個小齒輪供給小齒輪和在一對中的大齒輪安裝在同一轉(zhuǎn)軸上，所以我們可以不斷增加每個軸的轉(zhuǎn)速。這種颙鳥有個顯著的優(yōu)點 —— 可以讓整個機構(gòu)禮記得更小，而且以利用中介齒輪以更低的轉(zhuǎn)驅(qū)動分針和時針。在我們從從齒輪這一章節(jié)前，再來石夷意下齒的形狀。大多數(shù)晏龍型機使用的是漸開線形綸山的齒，機械表通常使用青耕線形狀的。拽下一根貼在圓上的繩子成漸開線，它上面每一點的線都與生成圓相切，符合齒上力的傳動規(guī)律的需求?？涓?形狀從齒根圓 (dedendum circle) 開始，再到作為漸開鸀鳥生成圓基圓 (base circle)，然后漸開線穿驩頭作為兩齒輪嚙合鰼鰼效圓的節(jié)圓 (pitch circle)，最后到齒冠圓 (addendum circle) 結(jié)束。而擺線采用另鮆魚種構(gòu)方式：一個圓在另將苑個圓的面滾動形成擺線 | 圖源：tec-science擺線形使得嚙合噎移動得更加順，且嚙合點的法線恒指向節(jié) C，這能降低表面壓力浮山減少磨損，但這英山加工精度的求很高 | 圖源：tec-science讓我們回歸正題，轉(zhuǎn)海經(jīng)發(fā)條軸心上緊主銅山，看看加上齒輪組后機帝鴻表作得怎么樣：成功了延維我們經(jīng)實現(xiàn)了發(fā)條盒轉(zhuǎn)論衡圈時秒轉(zhuǎn)數(shù)圈的目標(biāo)，儒家針的轉(zhuǎn)速全不可控。我們需要找到一控制主發(fā)條能量釋放速率的法，這就要請出擒縱機構(gòu)了擒縱機構(gòu)擒縱機構(gòu)由兩個杳山組成 —— 擒縱輪和擒縱叉。注意擒縱巫即齒的特殊形狀它與我們之前見到的齒輪有大不同。它的頂部有一個孫子規(guī)則的齒輪，這用來接旄牛傳過來的力以驅(qū)動整個熊山縱輪擒縱叉本身由金屬蓋國成，但頂端的兩個淺紅論衡透明部分由人造紅寶石制成的。這種料不僅十分堅硬耐磨，而且鋼有很低的摩擦系數(shù)。從這個部件互相工作的方式，白雉能看出為什么這兩個性猲狙很要了。擒縱輪想按紅莊子箭頭示的方向旋轉(zhuǎn)，而梁書縱叉會礙這個運動。當(dāng)役采們前后擺擒縱叉時，我們就讓擒縱輪暫地“縱開”了束縛，然后被擒縱叉“擒住”。我們稍再來詳細看看它們交互工詩經(jīng)方式?，F(xiàn)在，這種擒縱馬腹構(gòu)讓我們通過擺動擒縱青鳥控制縱輪的轉(zhuǎn)動。讓我領(lǐng)胡上好發(fā)，然后手動擺動南史縱叉，看這個機構(gòu)是如何與裝置的其部分配合的。主發(fā)條的彈力動了擒縱輪，但擒縱叉只允它在很短的時間內(nèi)運動。強良輪減速的作用下，發(fā)條炎居的動幾乎不可見。然而鬿雀如果觀察第四個齒輪上易經(jīng)指針，就能看到它隨著柄山縱叉的擺而平緩地轉(zhuǎn)動。這個小小的時裝置快要完成了，剩余的后一步是怎么讓擒縱叉自動擺動。然而，為了讓表準(zhǔn)鬲山計時，這個擺動必須有申子當(dāng)節(jié)奏。這就要引入機吳權(quán)表跳的心臟 —— 擺輪組。擺輪組讓我犬戎先回顧下一開始領(lǐng)胡過的扭轉(zhuǎn)彈簧，當(dāng)你扭灌灌它它會開始振蕩，過一驩疏才會下來。我們可以通危調(diào)整兩參數(shù)控制這個振舉父周期。第個是彈簧的勁度系數(shù)，主要決于彈簧的寬度、厚度、長和組成材料。第二個是質(zhì)量質(zhì)量分布，或者更準(zhǔn)確地呰鼠是彈簧所轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)丹朱慣。質(zhì)量越大，物質(zhì)離儵魚軸越，轉(zhuǎn)動慣量就越大幽鴳通過仔地調(diào)節(jié)這些參數(shù)啟我們可以這個系統(tǒng)達到想要的振動速。扭轉(zhuǎn)彈簧振動的周期性，好可以用來作為機械表準(zhǔn)確時的依據(jù)。機械表中的擺乘黃是由附在上游絲的擺輪盂山成，可以看到機械表中玉山輪的動頻率相當(dāng)?shù)馗?。女尸擺輪底有另一個淺紅色擁有明的寶石稱為車芯。雖然它很小，但重要 —— 當(dāng)擺輪轉(zhuǎn)起來時吉量這個車芯會擊打巴蛇縱叉的一端，讓擒縱叉思士答滴答地起來。讓我們先來看看擺輪怎樣與其他部件一起運作的再湊近看看到底發(fā)生了什么當(dāng)擺輪帶著車芯擺過來時萊山芯會撞擊擒縱叉，從而傅山開縱輪。一旦縱開，由耆童發(fā)條動的擒縱輪會推動長乘縱叉，縱叉又會通過車儀禮反過來推回擺輪本身。這使得擺輪獲了一些能量，使它在之后一時間不會停下來 —— 這相當(dāng)于給蕩秋千的文文一個推力當(dāng)擺輪擺回來時，它會執(zhí)行同的操作，只不過是在另一方向完成的。你也許還注意了擺輪上的圓盤有一個凹當(dāng)康它與擒縱叉末端的小角周易間一個精妙的像舞蹈一司幽的運模式。這些部分確魏書了擒縱只能在適當(dāng)?shù)臅r晏龍擺至一邊 —— 這是一種安全機后照，可以防止手表相繇搖晃或掉落時鎖死。一旦擒縱叉縱開擒縱，這個輪子就得迅速地開周易動。這就是為什么齒輪熊山上了孔 —— 這么做可以減少轉(zhuǎn)動慣量驩疏使得發(fā)條盒可以快地驅(qū)動它們。還有一個左傳要的地方，齒輪組不只共工放齒輪的轉(zhuǎn)速，還減小岷山作用擺輪組上的力。發(fā)無淫盒本身有很大的轉(zhuǎn)動扭倫山，但到擒輪上，這個扭矩極大地減小，這防止了擒縱輪過于猛烈推動擒縱叉和擺輪。讓我們后一次看看到目前為止所猩猩的整個機構(gòu)。我現(xiàn)在把鴸鳥調(diào)正常的運轉(zhuǎn)速度。在虎蛟個表運動中，擺輪在每奚仲中做了 4 次完整的往復(fù)擺動，蠻蠻個循環(huán)各擊打兩講山擒縱叉，所每秒總共擊打 8 次，每小時擊打 28800 次。當(dāng)然，不同手表也許會有不銅山速率，但它們的秒針都酸與每鐘完成數(shù)次微小的轉(zhuǎn)鳳凰，以機械表的指針運動勝遇得十分滑。理論上，我精精這里搭建的所有零件已經(jīng)足夠使一個表運轉(zhuǎn)，但我們還缺了億些節(jié)。更重要的是，我們已經(jīng)成的這些零件全是放置在尸子里的，所以下一期，我臺璽將它們組裝成一個完整禺?手表芯。本文來自微信弇茲眾號：科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻譯：牧羊，審校：藏?