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调速机构的前世今生(一)

发布时间 2020-01-03 18:26:55共 46 人关注

   在所有帮助提高机械钟表精度的发明中,没有哪个比调速机构更重要。本文将回溯调速机构从早期雏形到最新材质的发展演变历史,首先是第一部分:从水钟到机轴擒纵机构(VergeEscapement)。

   双壳表,镌刻“David Mercier, England”字样,约1750年

   一般认为,防止打点报时轮系运转过快的机制(调节器),让早期制表师想到利用类似原理,控制齿轮在一定时间内的转量。在中世纪,这些机制是复杂水钟的一部分,其中必然包括一个类似早期原始平衡摆的机构,其两端承载的重物可以远离或接近旋转轴,以产生更慢或更快的振荡。这是一个合理的假设。也许修道士们想要替换冬季冻结的水钟,于是抛却液态“引擎”,转而利用机械装置。在轮系的作用下,重力变成受控制的旋转运动,进而转换成平移运动,驱动锤敲击簧并发出声响。别忘了,在12和13世纪,时间是“听”的,而不是“看”的。

  机轴擒纵机构

   这种装置的制造很复杂,但它的存在,使发条在上弦时不失扭矩,从而确保钟表上弦时也能正常运作。如果没有它,机轴擒纵机构的功能就会大打折扣,因为振荡将完全受控于发条提供的动力。发条、芝麻链和机轴擒纵(擒纵轮垂直于齿轮系,两个“擒纵片”依次与擒纵轮凸齿咬合)的组合,几乎是1650年代前唯一使用的擒纵机构。需要注意的是,带有两个“摆杆”的原始平衡摆在16世纪逐渐被环形摆轮所取代。环形摆轮受不同位置的影响较小,但对冲击同样敏感;如果没有螺旋式游丝的话,精准度仍显不足。

   文艺复兴时期的时钟,德国,约1620年

   人类对时间的认知,最早来自天体。白天过后是黑夜,黑夜过后又是白天,恒定而规律。其他可以预测的事件为早期人类,尤其是女性提供了参照,因为她们要负责家庭饮食,牢记生育周期。人类根据月相盈亏,将时间分为更短间隔。最终,一年365又四分之一天以二分(即春分和秋分)和二至(即夏至和冬至)被划分为四季,对应地球围绕太阳公转一周的轨迹。这样,人类就掌握了历史上第一个“调速机构”(历法)。

   下一步就是构思出测量较短时间间隔的方法。机械钟表发明之前,太阳在地平线上的视运动,以及照射物体的投影,在时间测量中发挥了重要作用。但是如果云层遮蔽,晷针无法投影,这种机制也就失去了效力。日晷测量依赖天时,间歇失效,解决方案是水钟。水钟由水驱动,绝非简单的、几近玩具的装置。阿拉伯学者留下的记载告诉我们,特西比乌斯(希腊发明家)的一个水钟似乎已经装配安提基瑟拉机制,可以通过复杂轮系,预测天文现象。

   文艺复兴时期的时钟机制

  从流水到振荡

   机轴擒纵机构

   一滴水落入水中时,会产生波纹,接着按照规律节拍传遍整个水面,这是一种数学家能够转换成方程式的运动。我们往往容易忘记的是,早期水钟并非简单地将一个容器的水倒入另一个容器,漂浮的指针和齿轮意味着它们能够将时间分为可测量的间隔。正如GerhardDohrn-vanRossum在他的《HistoryoftheHour:ClocksandModernTemporalOrders》(由芝加哥大学出版社出版)一书中指出的,最早带有自动调速机制的现代时钟,与西多会有着奇妙的渊源。

   随着最早的调节器的出现,制表取得了巨大的飞跃。尽管现在看来粗糙简陋(除了约翰·哈里森H4航海天文钟装配的调节器),但这种机轴擒纵机构应用历史悠久,它被装配进13世纪至18世纪初的每一个计时仪器中,无论座钟、长壳钟、还是最早的表。通过暂停齿轮运作(否则齿轮会以不受控制的速度旋转),该机制赋予时钟稳定的节奏。

   双壳表,镌刻“Edward Whithaker, London”字样,18世纪早期

   这种巧妙的调节器,旨在用于装配发条(螺旋弹簧)驱动的钟或表,促进了平衡发条力量的两种新发明的问世。第一种是均力轮,主要用于1600年前的德语国家,对发条施加相反的摩擦力。第二种是均力圆锥轮,这是一种螺旋线圈向上逐渐缩短的圆锥结构,通过细长链条、缆绳、甚至肠线(也用于弦乐器)与发条相连。发条的张力会随时钟运行逐渐缩小,而连线则会随之从均力圆锥轮较窄的一头移动到较宽的一头,形成有效补偿。这样,无论发条的张力怎样变化,传递到齿轮系的力保持恒定(就像自行车后轮的轮系)。

   “洋葱”表,镌刻“Ladouceur, Faubourg Saint-Antonie, Paris”字样,约1690年

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