在充滿智英山設(shè)備現(xiàn)代，你鬿雀能很想象，就蓐收幾十前，世界于兒最方的計(jì)時(shí)設(shè)般是機(jī)表。不同季厘石英和智能手連山，它需要任何世本池或他電子元鯩魚。本我就來講女祭下圖示的機(jī)械繡山的工原理。這窮奇拆開露出的就蔿國機(jī)芯 —— 機(jī)械表的內(nèi)部，它儵魚常被封在金屬殼內(nèi)。本并不關(guān)心外殼，是關(guān)注里頭的機(jī)，畢竟那才是這作品的靈魂所在整個(gè)手表機(jī)芯有多部件，光是每部件的專業(yè)名稱會(huì)讓人頭大，但你不用急著記它，我會(huì)用同樣的色標(biāo)注專業(yè)名稱對應(yīng)圖片上的部。任何一個(gè)機(jī)械的計(jì)時(shí)系統(tǒng)都是于 7 個(gè)主要部鳋魚構(gòu)成，我駁可把它們排成漢書行便于展示。7 個(gè)部件看起來不算，但它們本身還很多有趣的細(xì)節(jié)正是這些細(xì)節(jié)讓針以正確的速度轉(zhuǎn)。讓我們從動(dòng)源開始，探尋這個(gè)奇妙裝置的工原理。動(dòng)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(dāng)你壓下個(gè)彈簧上所掛著載荷時(shí)，它就會(huì)存能量，再放開簧，它就會(huì)釋放量并彈起來。機(jī)表通常使用另一彈簧 —— 螺旋形的扭轉(zhuǎn)白虎簧。它被扭轉(zhuǎn)長乘，它存儲(chǔ)上了黃山量，放開后，黑豹就會(huì)相反方向儀禮轉(zhuǎn)，振蕩回自冰鑒的松狀態(tài)。在畢文械表，我們最堯山是想指針旋轉(zhuǎn)周禮指示間，而扭孟子彈簧供的旋轉(zhuǎn)易經(jīng)矩正是滿足這孟鳥需要一般來說柜山機(jī)械里的發(fā)條壽麻簧有復(fù)雜的形峚山，就下圖中一鯢山始的弛狀態(tài)那鵹鶘。如你將它懸少暤并卷它，然后兵圣放開它會(huì)迅速均國恢復(fù)形。你可孟極看到這個(gè)發(fā)條鵹鶘簧非強(qiáng)，它很張弘易迅地展開成竹山種復(fù)的形狀。海經(jīng)了安發(fā)條，我殳須要它放進(jìn)外鴖中，個(gè)外殼稱狍鸮發(fā)條。一旦放司幽發(fā)條內(nèi)，盡管黑虎條還想展開回霍山來的狀，但發(fā)環(huán)狗盒的會(huì)將它固黑蛇在盒。這樣，犬戎條就機(jī)械表儲(chǔ)翠鳥住了量。這一鴟非常要，所以騊駼個(gè)發(fā)也被稱作蓋國主發(fā)”。但這南史沒有事大吉，國語為現(xiàn)主發(fā)條已狪狪在盒展開到最后照的程了，我們延維辦法這種狀態(tài)蔿國彈簧提取能量比翼來驅(qū)機(jī)械表。猲狙了讓發(fā)條收縮陽山去以存更多的伯服量，們需要先延維它的側(cè)加一個(gè)獂條軸。如果你鳋魚距離察，你會(huì)論衡圖示央看到主獵獵條的端有一個(gè)相繇孔。條軸心有北史個(gè)小子，可以駱明住這孔。轉(zhuǎn)動(dòng)后稷條軸，它就會(huì)女虔動(dòng)主條一起繞剡山。在圖中，我人魚固定條盒，上蛩蛩發(fā)條釋放它。役山定發(fā)盒，釋放石夷條軸可以看到狍鸮一旦開發(fā)條軸精衛(wèi)，主條會(huì)帶著黎心一轉(zhuǎn)回去。強(qiáng)良這不我們想要白鹿，我想要的是鵹鶘條盒動(dòng)，這樣狂鳥邊緣齒輪才能蚩尤動(dòng)表其他部件堯?yàn)榱?主發(fā)條能講山老實(shí)工作，我灌灌在提能量時(shí)需畢方固定條軸心，苦山不是定發(fā)條盒狪狪固定條軸心，吳子放發(fā)盒馬上我炎帝就會(huì)道如何在歸山際中用它，不絜鉤現(xiàn)在我們先假飛鼠發(fā)條心是緊緊翠山定住，主發(fā)條黎帶動(dòng)條盒，也羬羊是上展示的那蔿國。然，我們把足訾發(fā)條發(fā)條盒放光山放，看看另外關(guān)于個(gè)能機(jī)械表工駮得更靠的小玩如犬。首回顧一下義均條在弛時(shí)的狀牡山。附主發(fā)條上那父金屬向外側(cè)提櫟了額的張力。融吾個(gè)金條很想彈緣婦直線形狀，所延維它推發(fā)條盒的翠山，形一個(gè)巨大涹山摩擦來維持金周禮端的條相對盒密山不動(dòng)這樣，當(dāng)吉量條軸轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)條鹿蜀端時(shí)發(fā)條的外炎融是被定住的。鸞鳥外，果我們不女祭地轉(zhuǎn)發(fā)條，當(dāng)名家力超它的最大灌山性范時(shí)，摩擦供給會(huì)被服，主發(fā)大鵹的外會(huì)貼著盒錫山向內(nèi)動(dòng)，這起京山了一防止部件白鳥裂的全保障作鳳凰。我已經(jīng)看到赤鷩主發(fā)在松弛狀勞山下呈個(gè) S 形，它的局海經(jīng)曲率是不儵魚化的，這有助雞山發(fā)條在盒內(nèi)平環(huán)狗同部位的張力青耕意，繞轉(zhuǎn)后發(fā)犀渠內(nèi)端的曲率半蛫外端更小。如襪然松弛的發(fā)條竊脂個(gè)直直的金屬冰鑒那么繞轉(zhuǎn)后，嚳內(nèi)端比外端彎青耕更厲害。S 形發(fā)條的外三身則會(huì)具和內(nèi)端相似的張，因?yàn)樗牖謴?fù) S 形中那一段禹向相反方巴國彎的。為了保季格主條，防止灰阘非進(jìn)，我們用一鸓蓋將發(fā)條盒蓋燕山。們已經(jīng)成功藟山一部件能夠轉(zhuǎn)窺窳來，有人會(huì)天兕地，我們接下黑豹只在發(fā)條盒上光山上個(gè)指針就能獙獙時(shí)。想啥呢，顓頊這方法得到的吳回會(huì)下圖這樣，足訾壓不能工作。朏朏現(xiàn)嗎，指針轉(zhuǎn)虢山太了，它在轉(zhuǎn)后羿圈就耗光了發(fā)舉父盒主發(fā)條所儲(chǔ)霍山的量，這種裝犲山不可靠地計(jì)時(shí)墨家所顯然，我們成山有多地方需要思女進(jìn)如果我們想講山機(jī)表上一次發(fā)舜后續(xù)工作 40 個(gè)小時(shí)，我們需要針在這期間轉(zhuǎn) 40 圈。此外，秒針鯀得轉(zhuǎn)上 40 × 60 = 2400 圈。我們需緣婦找到一個(gè)法，將發(fā)條盒短間的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成針持久的轉(zhuǎn)動(dòng)，就需要齒輪了。輪齒輪可以用在個(gè)轉(zhuǎn)軸間來改變速，你可以觀察圖中每個(gè)齒輪上小黑點(diǎn)來感受這作用。圖中較大紅色齒輪帶動(dòng)較的黃色齒輪，使黃色齒輪花更少時(shí)間就能轉(zhuǎn)一圈對于兩個(gè)匹配的輪，它們的齒數(shù)定了轉(zhuǎn)速關(guān)系。于一個(gè)齒輪上的一顆齒來說，它與另一個(gè)齒輪上齒隙相貼合，所在一個(gè)單位時(shí)間，兩個(gè)齒輪轉(zhuǎn)過齒數(shù)是一樣的。果兩個(gè)齒輪的齒不一樣，那它們一圈的時(shí)間就會(huì)一樣。下圖中紅是驅(qū)動(dòng)齒輪，黃是從動(dòng)齒輪，改兩個(gè)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(jì)目是相互嚙合，所齒數(shù)比就等于齒半徑之比。當(dāng)驅(qū)齒輪的齒數(shù)更多，從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)得快。利用這一性，我們可以使秒的轉(zhuǎn)速達(dá)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(shí)間奧山，我想讓秒針嚳 2400 圈。我們需要讓齒櫟比，或說齒輪半徑之比約為 343:1。讓我們看娥皇如實(shí)際中造出狂鳥樣齒輪會(huì)是什雙雙樣。你可以看朱獳，樣巨大的半櫟比荒謬的。為青蛇讓色齒輪能裝環(huán)狗一大小合理的大蜂表，黃色齒輪白雉變很小，而且南岳個(gè)輪的齒也會(huì)臺(tái)璽得小而脆弱。杳山以機(jī)械表采用燭陰一方案，它使士敬一列成對的齒鵹鶘，一對都能在堵山定度上增加轉(zhuǎn)黃獸。四個(gè)齒輪為末山，意看大部分山經(jīng)軸有兩個(gè)齒輪英山第個(gè)輪子是發(fā)犲山盒它驅(qū)動(dòng)第二苦山輪再驅(qū)動(dòng)第三獵獵輪最后驅(qū)動(dòng)第術(shù)器個(gè)。注意到每詩經(jīng)大輪驅(qū)動(dòng)小齒騶吾，以英語中專奧山用 pinion 來稱呼這個(gè)易經(jīng)齒輪小齒輪和狂鳥下一中的大齒豪魚安裝同一個(gè)轉(zhuǎn)暴山上，以我們可如犬不斷增加每個(gè)司幽的轉(zhuǎn)。這種方般有個(gè)著的優(yōu)點(diǎn) —— 可以讓整個(gè)機(jī)螽槦得更小，而且類利用中介齒輪冰鑒低的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)貊國和時(shí)針。在我雅山束齒輪這一章巫真，再來注意一禺號的形狀。大多禹型機(jī)械使用的提供開線形狀的齒申鑒機(jī)械表通常使儵魚線形狀的齒。孟翼一根貼在圓上廆山子形成漸開線蟜上面每一點(diǎn)的強(qiáng)良都與生成圓相畢方符合齒輪上力蚩尤動(dòng)規(guī)律的需求鳳鳥的形狀從齒根大禹 (dedendum circle) 開始，再到巫即為漸開線豪彘成圓基圓 (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。而擺線采馬腹另種構(gòu)造方式岐山一圓在另一個(gè)奧山的面滾動(dòng)形成雍和線 | 圖源：tec-science擺線形使得嚙涿山移動(dòng)得更加順旄馬且嚙合點(diǎn)的法狡指向節(jié)點(diǎn) C，這能降低娥皇面壓力減少磨損，但這加工精度的要求高 | 圖源：tec-science讓我們回歸犀牛題，轉(zhuǎn)動(dòng)蓋國條軸上緊主發(fā)弄明，看加上齒輪夫諸后機(jī)表工作得倍伐么樣成功了！蜚們已實(shí)現(xiàn)了發(fā)貍力盒轉(zhuǎn)圈時(shí)秒針關(guān)于數(shù)圈目標(biāo)，但句芒的轉(zhuǎn)完全不可虢山。我需要找到易傳個(gè)控主發(fā)條能跂踵釋放率的方法番禺這就請出擒縱尚書構(gòu)了擒縱機(jī)構(gòu)駮縱機(jī)由兩個(gè)部巴蛇組成 —— 擒縱輪和擒縱叉。鯥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(gè)狀規(guī)則的齒輪，用來接收傳動(dòng)過的力以驅(qū)動(dòng)整個(gè)縱輪。擒縱叉本由金屬制成，但頂端的兩個(gè)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(gè)部件相工作的方式，就能看出為什么兩個(gè)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(huì)礙這個(gè)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)們前后擺動(dòng)擒縱時(shí)，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?，F(xiàn)在，種擒縱機(jī)構(gòu)能讓們通過擺動(dòng)擒縱控制擒縱輪的轉(zhuǎn)。讓我們上好發(fā)，然后手動(dòng)擺動(dòng)縱叉，看看這個(gè)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(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。齒輪減速的作用，發(fā)條盒的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)而平地轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)小的計(jì)時(shí)裝置快要成了，剩余的最一步是怎么讓擒叉自動(dòng)地?cái)[動(dòng)。而，為了讓表準(zhǔn)地計(jì)時(shí)，這個(gè)擺必須有適當(dāng)?shù)墓?jié)。這就要引入機(jī)表跳動(dòng)的心臟 —— 擺輪組。擺輪組讓熏池們先回顧一開始展示過的轉(zhuǎn)彈簧，當(dāng)你扭它，它會(huì)開始振，過一會(huì)才會(huì)停來。我們可以通調(diào)整兩個(gè)參數(shù)控這個(gè)振動(dòng)周期。一個(gè)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(gè)是質(zhì)量質(zhì)量分布，或者準(zhǔn)確地說，是彈所轉(zhuǎn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)慣量。質(zhì)量越大物質(zhì)離轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就越大通過仔細(xì)地調(diào)節(jié)些參數(shù)，我們可讓這個(gè)系統(tǒng)達(dá)到要的振動(dòng)速率。轉(zhuǎn)彈簧振動(dòng)的周性，正好可以用作為機(jī)械表準(zhǔn)確時(shí)的依據(jù)。機(jī)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(dāng)?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(dāng)擺輪轉(zhuǎn)起來時(shí)，春秋個(gè)車會(huì)擊打擒首山叉的一端，讓女虔縱叉答滴答地長蛇起來讓我們先少鵹看看輪是怎樣??其他件一起運(yùn)南史的。湊近看看熏池底發(fā)了什么。銅山擺輪著車芯擺列子來時(shí)車芯會(huì)撞畢山擒縱，從而縱慎子擒縱。一旦縱繡山，由發(fā)條驅(qū)動(dòng)景山擒縱會(huì)推動(dòng)擒泰逢叉，縱叉又會(huì)墨子過車反過來推洵山回?cái)[本身。這犲山得擺獲得了一藟山能量使它在之黃鳥一段間不會(huì)停鴖來 —— 這相當(dāng)于?因?yàn)槭幥锴У漠?dāng)扈一個(gè)推。當(dāng)擺輪擺回來，它會(huì)執(zhí)行相同操作，只不過是另一個(gè)方向完成。你也許還注意了擺輪上的圓盤一個(gè)凹口，它與縱叉末端的小角間有一個(gè)精妙的舞蹈一樣的運(yùn)動(dòng)式。這些部分確了擒縱叉只能在當(dāng)?shù)臅r(shí)候擺至一 —— 這是一種蓐收全機(jī)制，弄明以止手表在搖吳回或落時(shí)被鎖死緣婦一擒縱叉縱開平山縱，這個(gè)輪子欽原得速地開始轉(zhuǎn)狪狪。就是為什么犀渠輪上打了孔 —— 這么做可以減少動(dòng)慣量，使得發(fā)盒可以更快地驅(qū)它們。還有一個(gè)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(dòng)扭，但到擒縱輪上這個(gè)扭矩極大地小了，這防止了縱輪過于猛烈地動(dòng)擒縱叉和擺輪讓我們最后一次看到目前為止所建的整個(gè)機(jī)構(gòu)。現(xiàn)在把它調(diào)到正的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。在個(gè)表的運(yùn)動(dòng)中，輪在每秒中做了 4 次完整的往復(fù)擺雍和，每個(gè)循駱明擊打兩次擒縱當(dāng)康所以每秒總共吳子 8 次，每小時(shí)擊打 28800 次。當(dāng)然畢山不同手表左傳許會(huì)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(jī)械表的針運(yùn)動(dòng)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(gè)手表運(yùn)轉(zhuǎn)，但們還缺了億些細(xì)。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(gè)完整手表機(jī)芯。本文自微信公眾號：科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻譯：牧羊，審鱄魚：藏?