没有电池，机械表如何准确走时（中）

上期我们介绍了机械表的发条、齿轮、擒纵机构和摆轮组，本期我们继续介绍机械表的机芯。

夹板

我们先从主夹板开始，它构成了机芯的主体：

注意看，主夹板有很多不同的开口 -- 我们将在本节利用它们安装之前搭好的部件。图中的粉色部分也是红宝石（与上期介绍的擒纵叉顶端的马仔石和摆轮的车芯一样）。它们作为轴承，使各部件的轴可以旋转起来。让我们近距离地看看它：

宝石里面有一个小腔。为了进一步减少旋转部件的能量损失，腔内涂有少量的特殊润滑油。润滑油会粘在宝石和在宝石孔内旋转的轴上，以进一步减少摩擦，延长手表单次上发条后的运行时间，同时减少精密机械部件间的磨损。前两个我们要安装到主夹板上的零件是擒纵轮和擒纵叉：

安装好这两个零件后，我们再用擒纵夹板盖住擒纵叉。夹板固定住擒纵叉转轴的另一端，并通过两个螺丝钉固定在主夹板上：

注意看，这个擒纵叉的摆动被擒纵夹板中央的两个凸起的形状限制住了：

这保证了擒纵轮推动擒纵叉的幅度只能到这里，再推就会被这些凸起拦住。接着，我们可以把剩下的齿轮安装进去。这四个齿轮的位置都是精心安排的，这使得它们只会占据一小部分空间。

注意看，第四个齿轮穿过了手表的正中央 -- 你可以在主夹板的另一面看到它穿过去的转轴。在整个组装过程的最后，我们将把秒针装在这个长轴上。为了保证所有齿轮都被固定住，我们用齿轮组夹板把它们盖上，这也为齿轮转轴的另一端提供了固定点。齿轮组夹板也被螺丝固定在主夹板上，这样所有东西都被固定好了。

核心零件中，只剩下摆轮组还没装上去了。它很特殊，需要专门设计的固定机构。让我们先把所有的部件装上摆轮组夹板。

注意看，作为平衡弹簧的游丝非常精细，它的末端连接着摆轮。游丝的名字正是取自于它的精细，在英文中，它也因此被称为 hairspring。黄色和青色的部位用来调节游丝的振动频率。让我们看看它们实际是怎么工作的：

黄色部位紧紧地固定着游丝，通过转动它，我们可以调节摆轮和它上边的车芯在自由松弛状态时的位置。这保证了摆轮"滴"和"答"的摆动相位会经历相同的时间。青色部位可以在游丝上自由地滑动，它可以阻止游丝尾部的自由振动，从而改变游丝振动的有效长度。通过调节青色部位，我们可以调节摆轮摆动的周期，从而让表走得稍微快些或慢些。我们还能通过调节顶部的螺丝，对走表的速度进行精调 -- 螺丝的头并不居中，所以转动它也会微微地转动青色部位的小叉子。游丝是由特殊合金制成的，例如尼瓦洛克斯合金（Nivarox），它的劲度系数在不同温度下保持不变，这提高了机械表走时的精度。安装摆轮组的最后一步，是装上防震机构，它包含一个套子，两块宝石和一个固定用的小弹簧。

当手表突然被震时，这个结构能保护摆轮轴脆弱的尖端不会被震破。让我们看看当摆轮轴摇晃时，这些零件是如何一起起到保护作用的。

当表被震动，摆轮轴运动的能量会被弹簧吸收，这点和汽车的悬架系统很像。如果震动很强烈，那么摆轮轴更厚更强的部位将通过盖子将负荷传导出去，从而保护脆弱的轴尖。经过这最后一步，我们终于把上期漂在空中的零部件完全地组装成了手表机芯。但是，你也许还记得我曾略过了如何把主发条上紧的问题。如果我们直接用发条轴心来上紧发条，那么它会发生什么呢？为了清楚地解答这个问题，下图我打开发条盒的盖子，让你能看清里面的发条：

只要发条轴心被固定着，主发条就能驱动机械表 -- 你可以在另一面看到附在第四个齿轮上的秒针转了起来。然而，当我们松开发条轴心，主发条就会"摆烂"-- 通过把轴心反向转回去以释放扭矩，这样的话，发条会快速地丢失所储存的能量，机械表也会停下来。为了防止主发条自发地反向转动，我们需要防止发条轴心逆时针转动，但与此同时还要允许它顺时针转动，这样我们才能上发条。这个问题看似复杂，但可以通过很简单的装置来解决，它就是棘爪，让我们看看它是怎么工作的。

棘爪

为了继续改进我们的装置，我们首先得装上一个发条盒上夹板作为牢固的基板，它能固定发条盒，并且为其他部件提供固定结构。由于这个夹板会遮住部分区域，我们先把一个小杠杆一起装进去，下期我们再回过来讲讲它的作用。

接着，我们用螺丝钉将一个棘轮固定在发条轴心上。棘轮有一个方形孔，这和发条轴心顶部的方形是相吻合的。

这个匹配的方形使棘轮可以带着发条轴心一起转动。我先暂时把螺丝去掉让大家看得更清楚些：

现在装上三个重要的零件。第一个零件是个小小的棘爪，我们先把它装在发条盒上夹板敞开的顶部。

在它有限的角度内，棘爪可以绕着它的轴转动：

第二个零件是棘爪簧。这个金属小玩意弹劲很强，当我们压紧它时，它会产生很强的回复力。

我们稍微压紧点棘爪簧，然后把它放进发条盒上夹板。

当我们转动棘爪并松开时，棘爪簧会在一瞬间把它推回去。

第三个零件是冠状齿轮，它也安装在发条盒上夹板上。它是被左手螺丝钉固定住的，这不同于大部分常规的齿轮，逆时针旋转它才会上紧：

注意看冠状齿轮的齿是如何啮合棘轮的。虽然冠状齿轮看起来每隔一个齿就缺一个齿，但它和棘轮依然可以啮合并正常工作。冠状齿轮的齿隙可以容纳棘爪上的小杆子落入其中。如果我们逆时针转动冠状齿轮，他会啮合棘轮并上紧发条。注意观察冠状齿轮的齿是如何将棘爪推开，而当转到齿隙，棘爪又是如何迅速弹回的。

当棘爪弹回并撞击冠状齿轮时，它会发出咔哒声，所以英文中它也叫"click"。逆时针转动冠状齿轮会上紧主发条，那反过来顺时针转会发生什么呢？在下面的模拟演示中，注意看冠状齿轮的齿是如何被棘爪卡住的，这就能防止冠状齿轮倒转：

这个简单的装置能让我们通过转动冠状齿轮来上发条，你可以看看下图的演示。这个棘爪还能防止主发条自己反转松开 -- 这也是为什么你不能反着拖动滑条的原因，除非你重启整个演示控件。

手表另一面的秒针展示了如何计秒，但一个完整的表应该同时显示分钟和时钟。让我们看看机械表是如何用一系列传动齿轮完成这个目标。

传动齿轮

在我们的这个机芯里，秒针是装在第四个传动齿轮上的，因为它正好每分钟精确地转一圈。为了让分针也能以正确的速度转动，我们需要一个比秒针齿轮转速慢 60 倍的转轴。好在，机械表机芯的设计者已经用了一个绝妙的办法，从另一个齿轮上"套"出了所需要的转速。如果你从表的正面凑近看看，你会看见第三个轮上的小齿轮从一个小敞口露出来了一些。我们可以在表的中央套上一个轮管（因为它有个像加农炮 cannon 一样的管子，所以英文是 cannon pinion），轮管带有一个驱动轮，我们把它啮合到之前提到的小齿轮上：

当第三个轮子转动，它会带动驱动轮和轮管。把分针装在轮管上，我们就能记录分钟了 -- 其中所涉及到的齿轮都精确地设定好了齿数，以实现比秒针慢 60 倍的目的。我们可以从下图看到秒针和分针是如何运转的。下面的滑条模拟时间的流速，可以滑动它来控制演示时间的快慢。

时针要转得比分针再慢 12 倍，但我们只用再加两个齿轮就能实现它。将分针轮作为中介与轮管啮合，然后时针轮与分针轮上的小齿轮啮合：

时针轮松松地装在轮管上，它们可以互相独立地转动。将时针装在时针轮上，我们就完成了驱动表针的装置。我还加上了一个刻度表盘，上面标记了 12 个小时，它能让我们准确地读出指针所指示的时间。

计日功能

这个表的计日装置由四个主要部分组成 -- 定位杆簧，指示齿轮，日期夹板与附在上面的齿轮，和印有所有可能的 31 个日期的日期环：

为了解释它是如何工作的，我先把无关的零件隐藏掉。我还会去掉指示齿轮的盖子，就能看到下面有一个小小的扭转弹簧。让我们看看这些零件是如何在时针轮的带动下运转的。

当时针轮转动，它会带动日期夹板的齿轮。另一面的小齿轮会带动指示齿轮和它上面的扭转弹簧。这个弹簧会被日期环上的齿绊住并变弯，但在某一刻，它会开始推动日期板。当日期环转动得足够多时，定位杆簧会突然松开日期环，并让它跳到下一个位置。你也许好奇为什么我们要设计这么复杂的装置。有读者可能会天真地想，我们只需要直接让时针轮带着日期环转起来就好了，就像我们之前让分针轮带着时针轮转动那样。非常抱歉，那样会导致表盘小窗显示出的"当前日期"连续地转动，这会让人很难读出究竟是哪一天。你可以在下图左侧看到这样的效果。

在右侧，你可以看到我们刚刚搭建的装置所指示的日期 -- 它只会在午夜附近变化。你也许已经意识到了，我们这个机芯的计日功能并不那么智能，它总是把每月计成 31 天，所以我们必须在小月份的最后一天结束后把表上的日期向后拨一天。另外，如果机械表有一阵子没有运行，那它的时间就会出错。我们需要找到一个给它校正日期和时间的方法。万幸的是，驱动分针、时针和日期环的齿轮都是连接在一起的，所以我们只用调整其中一个齿轮，就能调整所有齿轮。我将短暂地在图中隐藏时针轮以便于说明：

注意看，当我转动分针轮时，只有轮管转动了。这个轮管紧紧地插在驱动齿轮里，所以它通常可以被驱动齿轮带动。然而，因为齿轮组中的其他齿轮只能按发条盒的节奏转动，设置时间的同时驱动齿轮会被其他齿轮阻碍而无法跟着一起转，但轮管可以克服与驱动齿轮的摩擦，从而自己转起来。这让我们在不影响齿轮组的情况下设置时间，并且防止对精密部件造成破坏。安装好时针轮，我们会看到转动分针轮也会带着调整时针，而且如果我们转得足够多，也能一起调整日期：

跟着一步步下来，我们的机械表变得越来越完善，但它还有一些不便之处。为了调整时间以及上发条，我们必须转动机芯内部的齿轮，而它们一般是被安全地放置在表壳内的。另外，在每个少于 31 天的月份，我们现在都只能通过调整时间来调整日期，因为这是目前调整日期的唯一方式。理想情况下，我们应该找到一种将设置日期独立于设置时间的方法。为了解决这些问题，下一期我们将给机械表装上转柄，敬请期待。

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻译：牧羊，审校：*0