没有电池，机械表如何准确走时？（中）

　　00958C
　　认真阅读下面的文章，并思考文末互动提出的问题，严格按照互动：你的答案格式在评论区留言，就有机会获得由人民邮电出版社图灵文化提供的优质科普书籍《神奇的连接组》
　　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：（编辑注：原文附上的是交互控件，你可以在控件上拖拽来改变观察视角。受限于微信平台，这里用图片或动图替换，感兴趣的读者可以点击结尾原文链接体验交互控件）
　　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，这个机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cannonpinion），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。
　　作者：Ciechanowski
　　翻译：牧羊
　　审校：0
　　原文链接：mechanicalwatch
　　翻译内容仅代表作者观点
　　不代表中科院物理所立场