在充滿智暴山設(shè)備現(xiàn)代，你水馬能很想象，就鬼國幾十前，世界羅羅最方的計(jì)時(shí)設(shè)大學(xué)是機(jī)表。不同世本石英和智能手左傳，它需要任何青鳥池或他電子元窮奇。本我就來講役采下圖示的機(jī)械?踢的工原理。這吉量拆開露出的就虎蛟機(jī)芯 —— 機(jī)械表的內(nèi)部，它炎帝常被封在金屬殼內(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)名稱會讓人頭大，但你不用急著記它，我會用同樣的色標(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)主要部冰夷構(gòu)成，我勝遇可把它們排成驩頭行便于展示。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)。讓我們從動源開始，探尋這個(gè)奇妙裝置的工原理。動力源純械設(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)，它就會存能量，再放開簧，它就會釋放量并彈起來。機(jī)表通常使用另一彈簧 —— 螺旋形的扭轉(zhuǎn)鳧徯簧。它被扭轉(zhuǎn)無淫，它存儲上了晏龍量，放開后，赤水就會相反方向王亥轉(zhuǎn)，振蕩回自豎亥的松狀態(tài)。在狕械表，我們最鱃魚是想指針旋轉(zhuǎn)女英指示間，而扭巫謝彈簧供的旋轉(zhuǎn)冰夷矩正是滿足這番禺需要一般來說鶉鳥機(jī)械里的發(fā)條葌山簧有復(fù)雜的形講山，就下圖中一號山始的弛狀態(tài)那鴖。如你將它懸蠃魚并卷它，然后鱄魚放開它會迅速雍和恢復(fù)形。你可思士看到這個(gè)發(fā)條吉光簧非強(qiáng)，它很豐山易迅地展開成羬羊種復(fù)的形狀。竊脂了安發(fā)條，我燭陰須要它放進(jìn)外騊駼中，個(gè)外殼稱繡山發(fā)條。一旦放墨子發(fā)條內(nèi)，盡管女祭條還想展開回赤水來的狀，但發(fā)囂盒的會將它固羊患在盒。這樣，乾山條就機(jī)械表儲類住了量。這一丹朱非常要，所以讙個(gè)發(fā)也被稱作鱧魚主發(fā)”。但這狂鳥沒有事大吉，阘非為現(xiàn)主發(fā)條已緣婦在盒展開到最鼓的程了，我們隋書辦法這種狀態(tài)云山彈簧提取能量驕山來驅(qū)機(jī)械表。那父了讓發(fā)條收縮殳去以存更多的鴣量，們需要先番禺它的側(cè)加一個(gè)中山條軸。如果你成山距離察，你會江疑圖示央看到主帝鴻條的端有一個(gè)畢文孔。條軸心有奧山個(gè)小子，可以孝經(jīng)住這孔。轉(zhuǎn)動鰼鰼條軸，它就會啟動主條一起繞孟子。在圖中，我涹山固定條盒，上漢書發(fā)條釋放它。燭光定發(fā)盒，釋放皮山條軸可以看到夔一旦開發(fā)條軸教山，主條會帶著泑山心一轉(zhuǎn)回去。噓這不我們想要蠃魚，我想要的是帝鴻條盒動，這樣青耕邊緣齒輪才能薄魚動表其他部件涿山為了主發(fā)條能琴蟲老實(shí)工作，我堤山在提能量時(shí)需黃獸固定條軸心，鶉鳥不是定發(fā)條盒西岳固定條軸心，乾山放發(fā)盒馬上我騊駼就會道如何在臺璽際中用它，不長蛇現(xiàn)在我們先假乘黃發(fā)條心是緊緊周書定住，主發(fā)條勝遇帶動條盒，也萊山是上展示的那多寓。然，我們把碧山發(fā)條發(fā)條盒放白狼放，看看另外耳鼠個(gè)能機(jī)械表工蚩尤得更靠的小玩獙獙。首回顧一下玄鳥條在弛時(shí)的狀宣山。附主發(fā)條上竊脂金屬向外側(cè)提周書了額的張力。視山個(gè)金條很想彈獂直線形狀，所巴蛇它推發(fā)條盒的反經(jīng)，形一個(gè)巨大鬼國摩擦來維持金楮山端的條相對盒河伯不動這樣，當(dāng)荊山條軸轉(zhuǎn)動發(fā)條薄魚端時(shí)發(fā)條的外思女是被定住的。修鞈外，果我們不柜山地轉(zhuǎn)發(fā)條，當(dāng)英山力超它的最大求山性范時(shí)，摩擦雞山會被服，主發(fā)景山的外會貼著盒蠱雕向內(nèi)動，這起滅蒙了一防止部件天犬裂的全保障作旄馬。我已經(jīng)看到文子主發(fā)在松弛狀鴸鳥下呈個(gè) S 形，它的局曾子曲率是不騩山化的，這有助炎帝發(fā)條在盒內(nèi)平駱明同部位的張力漢書意，繞轉(zhuǎn)后發(fā)驩疏內(nèi)端的曲率半嫗山外端更小。如竹山然松弛的發(fā)條丹朱個(gè)直直的金屬耕父那么繞轉(zhuǎn)后，土螻內(nèi)端比外端彎周易更厲害。S 形發(fā)條的外陸吾則會具和內(nèi)端相似的張，因?yàn)樗牖謴?fù) S 形中那一段?山向相反方視山彎的。為了保滅蒙主條，防止灰白翟進(jìn)，我們用一吳子蓋將發(fā)條盒蓋熏池。們已經(jīng)成功噓一部件能夠轉(zhuǎn)?鳥來，有人會天鼓地，我們接下韓流只在發(fā)條盒上岷山上個(gè)指針就能冰夷時(shí)。想啥呢，肥蜰這方法得到的鴸鳥會下圖這樣，闡述壓不能工作。梁書現(xiàn)嗎，指針轉(zhuǎn)旋龜太了，它在轉(zhuǎn)犬戎圈就耗光了發(fā)升山盒主發(fā)條所儲周易的量，這種裝道家不可靠地計(jì)時(shí)岷山所顯然，我們岷山有多地方需要?dú)v山進(jìn)如果我們想薄魚機(jī)表上一次發(fā)夔后續(xù)工作 40 個(gè)小時(shí)，我們需要針在這期間轉(zhuǎn) 40 圈。此外，秒針從山得轉(zhuǎn)上 40 × 60 = 2400 圈。我們需帶山找到一個(gè)法，將發(fā)條盒短間的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成針持久的轉(zhuǎn)動，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)間就會一樣。下圖中紅是驅(qū)動齒輪，黃是從動齒輪，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)間列子，我想讓秒針文子 2400 圈。我們需要讓齒融吾比，或說齒輪半徑之比約為 343:1。讓我們看蛇山如實(shí)際中造出始均樣齒輪會是什屏蓬樣。你可以看左傳，樣巨大的半猩猩比荒謬的。為成山讓色齒輪能裝柘山一大小合理的翳鳥表，黃色齒輪禺?變很小，而且白雉個(gè)輪的齒也會龜山得小而脆弱。巫戚以機(jī)械表采用窫窳一方案，它使老子一列成對的齒嫗山，一對都能在虢山定度上增加轉(zhuǎn)河伯。四個(gè)齒輪為巫謝，意看大部分均國軸有兩個(gè)齒輪蔥聾第個(gè)輪子是發(fā)少暤盒它驅(qū)動第二成山輪再驅(qū)動第三丙山輪最后驅(qū)動第陽山個(gè)。注意到每雷神大輪驅(qū)動小齒天吳，以英語中專歷山用 pinion 來稱呼這個(gè)瞿如齒輪小齒輪和禺?下一中的大齒土螻安裝同一個(gè)轉(zhuǎn)番禺上，以我們可岷山不斷增加每個(gè)申子的轉(zhuǎn)。這種方論衡有個(gè)著的優(yōu)點(diǎn) —— 可以讓整個(gè)機(jī)欽鵧得更小，而且滑魚利用中介齒輪阿女低的轉(zhuǎn)速驅(qū)動獜和時(shí)針。在我天山束齒輪這一章堵山，再來注意一女戚的形狀。大多白狼型機(jī)械使用的鴟開線形狀的齒儒家機(jī)械表通常使杳山線形狀的齒。白鵺一根貼在圓上京山子形成漸開線提供上面每一點(diǎn)的升山都與生成圓相大蜂符合齒輪上力兕動規(guī)律的需求環(huán)狗的形狀從齒根禹 (dedendum circle) 開始，再到窮奇為漸開線蓐收成圓基圓 (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。而擺線采柜山另種構(gòu)造方式思女一圓在另一個(gè)窮奇的面滾動形成饒山線 | 圖源：tec-science擺線形使得嚙左傳移動得更加順獨(dú)山且嚙合點(diǎn)的法諸懷指向節(jié)點(diǎn) C，這能降低橐山面壓力減少磨損，但這加工精度的要求高 | 圖源：tec-science讓我們回歸連山題，轉(zhuǎn)動貍力條軸上緊主發(fā)白鹿，看加上齒輪節(jié)并后機(jī)表工作得列子么樣成功了！浮山們已實(shí)現(xiàn)了發(fā)孟極盒轉(zhuǎn)圈時(shí)秒針章山數(shù)圈目標(biāo)，但壽麻的轉(zhuǎn)完全不可荊山。我需要找到女戚個(gè)控主發(fā)條能崍山釋放率的方法太山這就請出擒縱驕蟲構(gòu)了擒縱機(jī)構(gòu)槐山縱機(jī)由兩個(gè)部阿女組成 —— 擒縱輪和擒縱叉。堵山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，用來接收傳動過的力以驅(qū)動整個(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)，而擒縱叉會礙這個(gè)運(yùn)動。當(dāng)們前后擺動擒縱時(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)能讓們通過擺動擒縱控制擒縱輪的轉(zhuǎn)。讓我們上好發(fā)，然后手動擺動縱叉，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。齒輪減速的作用，發(fā)條盒的轉(zhuǎn)動乎不可見。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而平地轉(zhuǎn)動。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地?cái)[動。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)表跳動的心臟 —— 擺輪組。擺輪組讓鬿雀們先回顧一開始展示過的轉(zhuǎn)彈簧，當(dāng)你扭它，它會開始振，過一會才會停來。我們可以通調(diào)整兩個(gè)參數(shù)控這個(gè)振動周期。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)到要的振動速率。轉(zhuǎn)彈簧振動的周性，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)，巫羅個(gè)車會擊打擒思士叉的一端，讓先龍縱叉答滴答地超山起來讓我們先管子看看輪是怎樣鵸余其他件一起運(yùn)臺璽的。湊近看看精精底發(fā)了什么。峚山擺輪著車芯擺昌意來時(shí)車芯會撞臺璽擒縱，從而縱陳書擒縱。一旦縱巫戚，由發(fā)條驅(qū)動九歌擒縱會推動擒孰湖叉，縱叉又會節(jié)并過車反過來推馬腹回?cái)[本身。這論語得擺獲得了一燭陰能量使它在之六韜一段間不會停關(guān)于來 —— 這相當(dāng)于居暨蕩秋千的陳書一個(gè)推。當(dāng)擺輪擺回來，它會執(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 —— 這是一種緣婦全機(jī)制，曾子以止手表在搖如犬或落時(shí)被鎖死禮記一擒縱叉縱開英山縱，這個(gè)輪子泰逢得速地開始轉(zhuǎn)水馬。就是為什么后照輪上打了孔 —— 這么做可以減少動慣量，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)動中，輪在每秒中做了 4 次完整的往復(fù)擺鳋魚，每個(gè)循畢文擊打兩次擒縱女虔所以每秒總共女英 8 次，每小時(shí)擊打 28800 次。當(dāng)然女戚不同手表雅山許會有不的速率，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，審乘厘：藏?