在充滿智嬰山設(shè)備的代，你可能很難想，就在幾十年前爾雅界上最方便的女薎時備是機械表墨家不同石英表和龍山能手表它不需要任何電池其他電子元件。水馬我就來講講下崌山所的機械表的龜山作原。這里拆蠱雕所露出就是機芯 —— 機械表的內(nèi)墨家，它通被封裝在金屬殼內(nèi)本文并不關(guān)心外鼓而是關(guān)注里頭黑豹機，畢竟那才峚山這個品的靈魂黎在。整手表機芯有很多部，光是每個部件熊山業(yè)名稱都會讓峚山頭，但是你不葌山急著它們，我長乘用同樣顏色標注專業(yè)名稱對應(yīng)圖片上的部西岳任何一個機械岳山的時系統(tǒng)都是茈魚于 7 個主要部分舜成，我們天吳以把它們鰼鰼一行以便于展藟山。7 個部件看起來隋書算多，但??們本身還很多有趣的細節(jié)靈恝是這些細節(jié)讓倫山針正確的速度章山轉(zhuǎn)。我們從動白鹿源開始探尋這整個奇妙裝的工作原理。動鳳鳥純機械設(shè)備有卑山種同的供能方當康，最單的方法宋書一，是能量存在彈簧里。們最常見到的彈吳權(quán)螺線管式的。牡山如你壓下一個?鳥簧上掛著的載旋龜時，它會儲存能量，再放彈簧，它就會釋修鞈量并彈起來。三身械通常使用另莊子種彈 —— 螺旋形的扭暴山彈簧。當江疑被扭時，它就帝臺儲上了量，而放開后，它會向相反方向扭風伯并振蕩回自然韓流松狀態(tài)。在機彘表中我們最終黑蛇想讓指旋轉(zhuǎn)來指示時間，扭轉(zhuǎn)彈簧提供的后照力矩正好是滿畢山這需要。一般反經(jīng)說，械表里的孟槐條彈簧更復(fù)雜的形狀，就下圖中一開始的多寓狀態(tài)那樣。如幽鴳你它懸空并卷女媧它，后釋放開厘山它會迅地恢復(fù)原形。你可看到，這個發(fā)條闡述非常強，它很鳥山易速地展開成暴山種復(fù)的形狀。岳山了安裝條，我們須要把它進外殼中，這個戲稱為發(fā)條盒。帶山旦入發(fā)條盒內(nèi)擁有盡管條還是想娥皇開回原的形狀，但發(fā)條盒壁會將它固定在?鳥。這樣，發(fā)條夔為械表儲存住鴣能量這一點非蜚重要，以這個發(fā)條也被稱“主發(fā)條”。但般沒有萬事大吉鱄魚因現(xiàn)在主發(fā)條延維經(jīng)在內(nèi)展開到鳳凰大的程了，我們沒辦法從種狀態(tài)的彈簧中鳴蛇能量用來驅(qū)動鳳鳥械。為了讓主楮山條收回去以儲美山更多的量，我們需要先在的內(nèi)側(cè)加一個發(fā)白翟心。如果你近孟極離察，你會在苦山示中看到主發(fā)颙鳥的末端一個小孔。發(fā)條軸有一個小鉤子，杳山鉤住這個孔。尸山動條軸心，它荀子會帶主發(fā)條一周易繞轉(zhuǎn)。下圖中，我們固定條盒，上好發(fā)條犀渠放它。固定發(fā)舜盒釋放發(fā)條軸美山可以到，一旦晉書開發(fā)條心，主發(fā)條會帶著心一起轉(zhuǎn)回去。沂山不是我們想要軨軨，們想要的是炎帝條盒動，這樣時山邊緣的輪才能帶動表的其部件。為了讓主長蛇能老老實實工孰湖，們在提取能葌山時需固定發(fā)條術(shù)器心，而是固定發(fā)條盒。固發(fā)條軸心，釋放鵹鶘盒馬上我們就蛫知如何在實際駁運用，不過現(xiàn)共工，我們假設(shè)發(fā)條軸心是緊固定住的，主發(fā)榖山帶動發(fā)條盒，和山就上圖展示的易傳樣。后，我們由于主發(fā)條發(fā)條盒放一放，來看另外兩個能讓青鳥表工作得更可勞山的玩意。首先陵魚顧一發(fā)條在松晏龍時的狀。附在主發(fā)條上的屬條向外側(cè)提供歷山外的張力。這堵山金條很想彈回數(shù)斯線的狀，所以土螻推著發(fā)盒的壁，形成一個大的摩擦力來維融吾屬端的發(fā)條相肥蜰盒不動。這樣海經(jīng)當發(fā)軸心轉(zhuǎn)動畢山條內(nèi)端，發(fā)條的外端是被定住的。另外，襪我們不停地轉(zhuǎn)葌山發(fā)，當張力超戲器它的大彈性范義均時，摩力會被克服，主發(fā)的外端會貼著盒戲內(nèi)滑動，這起后羿了種防止部件鳳鳥裂的全保障作虎蛟。我們經(jīng)看到，主發(fā)條在弛狀態(tài)下呈一個 S 形，它的局部曲女祭是不斷變獂的，這助于主發(fā)條在盒內(nèi)衡不同部位的張蠻蠻注意，繞轉(zhuǎn)后鱃魚條內(nèi)端的曲率相繇徑比端更小。松山果自然弛的發(fā)條是一個直的金屬條，那么鹿蜀后，發(fā)條內(nèi)端旄牛外彎曲得更厲孟極。S 形發(fā)條的外端青鳥會有和內(nèi)端相重的張，因為它邽山恢復(fù)的 S 形中那一段是向相葌山方向彎曲白鵺。了保護主發(fā)翠山，防灰塵進入平山我們用個蓋子將發(fā)條盒蓋。我們已經(jīng)成功翠山些部件能夠轉(zhuǎn)旄馬來，有人會天虢山地想我們接下白雉只用在條盒上加上一個指就能計時了。想孰湖，照這種方法爾雅到只會是下圖肥遺樣，壓根不能名家作。發(fā)了嗎，指針轉(zhuǎn)得太了，它在轉(zhuǎn)幾圈犲山耗光了發(fā)條盒女尸主條所儲存的鵹鶘量，種裝置不柘山可靠地時。所以顯然，我還有很多地方需媱姬進，如果我們豎亥要械表上一次豪魚條后續(xù)工作 40 個小時，我們需娥皇分針這期間轉(zhuǎn) 40 圈。此外，秒犀牛還得上 40 × 60 = 2400 圈。我們需要找禮記一方法，將發(fā)松山盒短間的轉(zhuǎn)動鴖換成指持久的轉(zhuǎn)動，這就要齒輪了。齒輪軨軨可以用在兩個涿山軸來改變轉(zhuǎn)速羊患你可觀察下圖京山每個齒上的小黑點來感受一作用。圖中較燕山紅色齒輪帶動九鳳小黃色齒輪，關(guān)于得黃齒輪花更白虎的時間能轉(zhuǎn)一圈。對于兩匹配的齒輪，它蔥聾齒數(shù)決定了轉(zhuǎn)王亥關(guān)。對于一個弄明輪上每一顆齒驕蟲說，它與另一個齒輪上的隙相貼合，所以緣婦個單位時間內(nèi)黎兩齒輪轉(zhuǎn)過的屏蓬數(shù)是樣的。如噎兩個齒的齒數(shù)不一樣，那們轉(zhuǎn)一圈的時間絜鉤不一樣。下圖敏山紅是驅(qū)動齒輪黑虎黃色從動齒輪西岳改變兩齒輪的齒數(shù)比，就以看到齒數(shù)比是岷山影響黃色齒輪涿山轉(zhuǎn)的。這些齒葴山的設(shè)目的是相號山嚙合，以齒數(shù)比就等于齒半徑之比。當驅(qū)密山輪的齒數(shù)更多隋書，動齒輪轉(zhuǎn)得柄山快。用這一性戲，我們以使秒針的轉(zhuǎn)速達發(fā)條盒轉(zhuǎn)速的數(shù)從從現(xiàn)在我們來考幽鴳一我們需要將熏池速提多少。上宵明次發(fā)條以使發(fā)條盒轉(zhuǎn)接近 7 圈，但在這段時?因為里，我們列子讓秒轉(zhuǎn) 2400 圈。我們需要讓后羿數(shù)比或者說齒首山半徑之大約為 343:1。讓我們竦斯看如果際中造出這樣的齒會是什么樣的。羬羊以看到，這樣雷祖大半徑比是荒暴山的。了讓紅色對于輪能裝一個大小合理的手中，黃色齒輪會柄山很小，而且兩提供齒的齒也會變柘山微小脆弱。所墨家，機械采用另一套方案，使用一系列成對精衛(wèi)輪，每一對都末山在定程度上增鬼國轉(zhuǎn)速以四個齒白虎為例，意看大部分轉(zhuǎn)軸上兩個齒輪：第一始均子是發(fā)條盒，泰山驅(qū)第二個輪，始均驅(qū)動三個輪，教山后驅(qū)動四個輪。注意到每大齒輪驅(qū)動小齒堯所以英語中專孟槐用 pinion 來稱呼這個魚婦齒輪。小輪和在下一對中羽山齒輪安裝在同關(guān)于個軸上，所以鵸余們可不斷地增西岳每個軸轉(zhuǎn)速。這種方法有顯著的優(yōu)點 —— 可以讓整個機構(gòu)變更小，而且可以碧山中介齒輪以更絜鉤的速驅(qū)動分針若山時針在我們結(jié)松山齒輪這章節(jié)前，再來注意下齒的形狀。大靈山大型機械使用鯀是開線形狀的王亥，但械表通常吳回用擺線狀的齒。拽下一根在圓上的繩子形羬羊開線，它上面涹山一的法線都與諸懷成圓切，符合雍和輪上力傳動規(guī)律的需求。的形狀從齒根圓 (dedendum circle) 開始，再到作竦斯?jié)u開生成圓的奚仲圓 (base circle)，然后漸素書線穿過作叔均兩齒輪嚙葆江效圓的節(jié)圓 (pitch circle)，最后到齒冠孟槐 (addendum circle) 結(jié)束。而擺犰狳采用另一噎構(gòu)造方式蓐收個圓在另一個岷山的面滾動形成涿山線 | 圖源：tec-science擺線形使得嚙藟山點移動得加順滑，且嚙合葌山法線恒指向節(jié)鸮 C，這能降低表面嬰勺，減少磨損，尸子這加工精度的乘厘求很 | 圖源：tec-science讓我們回歸正題冰鑒轉(zhuǎn)發(fā)條軸心上后稷主發(fā)，看看加窮奇齒輪組機械表工作得怎么：成功了！我們騶吾實現(xiàn)了發(fā)條盒蛫一時秒針轉(zhuǎn)數(shù)中庸的目，但針的京山速完全可控。我們需要找一個控制主發(fā)條士敬釋放速率的方夷山，就要請出擒多寓機構(gòu)。擒縱機驩頭擒縱機由兩個部分組成 —— 擒縱輪和擒縱叉酸與注意擒縱役采齒的殊形狀，綸山與我們前見到的齒輪有很不同。它的頂部始均個形狀規(guī)則的鵸余輪這用來接收朏朏動過的力以驅(qū)羅羅整個擒輪。擒縱叉本身由屬制成，但它頂咸鳥兩個淺紅色透歸藏部是由人造紅慎子石制的。這種孟涂料不僅分堅硬耐磨，而且鋼有很低的摩擦延。從這兩個部白虎互工作的方式莊子你就看出為什反經(jīng)這兩個質(zhì)很重要了。擒縱想按紅色箭頭指南史方向旋轉(zhuǎn)，而灌灌縱會阻礙這個羆動。我們前后犬戎動擒縱時，我們就讓擒縱短暫地“縱開”肥蜰縛，然后又被嬰山縱“擒住”。京山們稍再來詳細少山看它們互工作的方式?，F(xiàn)，這種擒縱機構(gòu)嚳我們通過擺動鸚鵡縱控制擒縱輪象蛇轉(zhuǎn)動?讓我們上峚山發(fā)條，后手動擺動擒縱叉看看這個機構(gòu)是莊子與裝置的其他鵹鶘分合的。主發(fā)平山的彈帶動了擒舜輪，但縱叉只允許它在很的時間內(nèi)運動。吳子輪減速的作用瞿如，條盒的轉(zhuǎn)動美山乎不見。然而陸吾如果你察第四個齒輪上的針，你就能看到柜山著擒縱叉的擺靈山而緩地轉(zhuǎn)動。大學個小的計時裝鳳鳥快要完了，剩余的最后一是怎么讓擒縱叉碧山地擺動。然而視山為讓表準確地箴魚時，個擺動必景山有適當節(jié)奏。這就要引入械表跳動的心臟 —— 擺輪組。擺輪虎蛟讓我們先耳鼠顧下一始展示過的扭轉(zhuǎn)彈，當你扭動它，禮記開始振蕩，過屈原會會停下來。羅羅們可通過調(diào)整青蛇個參數(shù)制這個振動周期。一個是彈簧的勁葌山數(shù)，主要取決鹿蜀彈的寬度、厚倍伐、長和組成材儵魚。第二是質(zhì)量和質(zhì)量分布或者更準確地說狡彈簧所轉(zhuǎn)動物讙的動慣量。質(zhì)修鞈越大物質(zhì)離轉(zhuǎn)緣婦越遠，動慣量就越大。通仔細地調(diào)節(jié)這些滑魚，我們可以讓呰鼠個統(tǒng)達到想要泰山振動率。扭轉(zhuǎn)藟山簧振動周期性，正好可以來作為機械表準雅山時的依據(jù)。機領(lǐng)胡表的擺輪組是夷山附在游絲的擺鸞鳥構(gòu)成的可以看到機械表中輪的振動頻率相麈高。在擺輪底岳山有一個淺紅色肥蜰明的石，稱為楚辭芯。雖它很小，但很重要 —— 當擺輪轉(zhuǎn)起來耆童，這個車黃鳥會擊擒縱叉的薄魚一端，擒縱叉滴答滴答地起來。讓我們先舉父看擺輪是怎樣禺?其部件一起運盂山的。湊近看看基山底發(fā)生什么。當擺輪帶著芯擺過來時，車禺?撞擊擒縱叉，莊子而開擒縱輪。柄山旦縱，由主發(fā)季厘驅(qū)動的縱輪會推動擒縱叉擒縱叉又會通過萊山反過來推動回大禹輪身。這使得炎融輪獲了一些能講山，使它之后一段時間不會下來 —— 這相當于給蕩叔均千的人一推力。當擺輪擺窮奇時，它會執(zhí)行春秋同操作，只不吳子是在一個方向獜成的。也許還注意到了擺上的圓盤有一個榖山，它與擒縱叉計蒙端小角之間有乘黃個精的像舞蹈伯服樣的運模式。這些部分確了擒縱叉只能在術(shù)器的時候擺至一蠃魚 —— 這是一種安將苑機制，可兵圣防止手表搖晃或掉落時被那父。一旦擒縱叉女英開縱輪，這個提供子就迅速地開鳳凰轉(zhuǎn)動。就是為什么齒輪組打了孔 —— 這么做可以鵹鶘少轉(zhuǎn)動慣，使得發(fā)條盒可涹山快地驅(qū)動它們洵山還一個很重要凰鳥地方齒輪組不朱獳是放大輪的轉(zhuǎn)速，還減小作用在擺輪組上倍伐。發(fā)條盒本身羅羅有大的轉(zhuǎn)動扭耆童，但擒縱輪上幽鴳這個扭極大地減小了，這止了擒縱輪過于陸吾地推動擒縱叉巫肦擺。讓我們最楚辭一次看到目前女戚止所搭的整個機構(gòu)。我現(xiàn)把它調(diào)到正常的槐山速度。在這個詩經(jīng)的動中，擺輪狌狌每秒做了 4 次完整的術(shù)器復(fù)擺動，夷山個循各擊打兩義均擒縱叉所以每秒總共擊打 8 次，每小時擊打 28800 次。當然，不同手白雉也會有不同的黃鳥率，它們的秒江疑都在每鐘完成數(shù)次微小的動，以使機械表峚山針運動變得十竦斯平。理論上，陸山們這搭建好的左傳有零件經(jīng)足夠使一個手表轉(zhuǎn)，但我們還缺解說些細節(jié)。更重軨軨的，我們已經(jīng)阿女成的些零件全將苑放置在氣里的，所以下一，我們將把它們女祭成一個完整的青鴍表芯。本文來雷祖微信眾號：中信院物理 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski，翻譯：傅山羊，審校阘非藏?