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    調速機構的前世今生

    返回列表 來源: 瀏覽: 發布日期:2018-09-14作者:

     在所有幫助提高機械鐘表精度的發明中,沒有哪個比調速機構更重要。本文將回溯調速機構從早期雛形到最新材質的發展演變歷史,首先是第一部分:從水鐘到機軸擒縱機構(Verge Escapement)。

     

    文藝復興時期的時鐘,德國,約1620年

     

     

    文藝復興時期的時鐘機制

     

     

           人類對時間的認知,最早來自天體。白天過后是黑夜,黑夜過后又是白天,恒定而規律。其他可以預測的事件為早期人類,尤其是女性提供了參照,因為她們要負責家庭飲食,牢記生育周期。人類根據月相盈虧,將時間分為更短間隔。最終,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)被劃分為四季,對應地球圍繞太陽公轉一周的軌跡。這樣,人類就掌握了歷史上第一個“調速機構”(歷法)。

     

           下一步就是構思出測量較短時間間隔的方法。機械鐘表發明之前,太陽在地平線上的視運動,以及照射物體的投影,在時間測量中發揮了重要作用。但是如果云層遮蔽,晷針無法投影,這種機制也就失去了效力。日晷測量依賴天時,間歇失效,解決方案是水鐘。水鐘由水驅動,絕非簡單的、幾近玩具的裝置。阿拉伯學者留下的記載告訴我們,特西比烏斯(希臘發明家)的一個水鐘似乎已經裝配安提基瑟拉機制,可以通過復雜輪系,預測天文現象。

     

    雙殼表,鐫刻“David Mercier, England”字樣,約1750年

     

     

    雙殼表,鐫刻“Edward Whithaker, London”字樣,18世紀早期

     

     

    從流水到振蕩

     

           一滴水落入水中時,會產生波紋,接著按照規律節拍傳遍整個水面,這是一種數學家能夠轉換成方程式的運動。我們往往容易忘記的是,早期水鐘并非簡單地將一個容器的水倒入另一個容器,漂浮的指針和齒輪意味著它們能夠將時間分為可測量的間隔。正如Gerhard Dohrn-van Rossum在他的《History of the Hour: Clocks and Modern Temporal Orders》(由芝加哥大學出版社出版)一書中指出的,最早帶有自動調速機制的現代時鐘,與西多會有著奇妙的淵源。

     

           一般認為,防止打點報時輪系運轉過快的機制(調節器),讓早期制表師想到利用類似原理,控制齒輪在一定時間內的轉量。在中世紀,這些機制是復雜水鐘的一部分,其中必然包括一個類似早期原始平衡擺的機構,其兩端承載的重物可以遠離或接近旋轉軸,以產生更慢或更快的振蕩。這是一個合理的假設。也許修道士們想要替換冬季凍結的水鐘,于是拋卻液態“引擎”,轉而利用機械裝置。在輪系的作用下,重力變成受控制的旋轉運動,進而轉換成平移運動,驅動錘敲擊簧并發出聲響。別忘了,在12和13世紀,時間是“聽”的,而不是“看”的。

     

    “洋蔥”表,鐫刻“Ladouceur, Faubourg Saint-Antonie, Paris”字樣,約1690年

     

     

    機軸擒縱機構

     

    機軸擒縱機構

     

           隨著最早的調節器的出現,制表取得了巨大的飛躍。盡管現在看來粗糙簡陋(除了約翰·哈里森H4航海天文鐘裝配的調節器),但這種機軸擒縱機構應用歷史悠久,它被裝配進13世紀至18世紀初的每一個計時儀器中,無論座鐘、長殼鐘、還是最早的表。通過暫停齒輪運作(否則齒輪會以不受控制的速度旋轉),該機制賦予時鐘穩定的節奏。

     

           這種巧妙的調節器,旨在用于裝配發條(螺旋彈簧)驅動的鐘或表,促進了平衡發條力量的兩種新發明的問世。第一種是均力輪,主要用于1600年前的德語國家,對發條施加相反的摩擦力。第二種是均力圓錐輪,這是一種螺旋線圈向上逐漸縮短的圓錐結構,通過細長鏈條、纜繩、甚至腸線(也用于弦樂器)與發條相連。發條的張力會隨時鐘運行逐漸縮小,而連線則會隨之從均力圓錐輪較窄的一頭移動到較寬的一頭,形成有效補償。這樣,無論發條的張力怎樣變化,傳遞到齒輪系的力保持恒定(就像自行車后輪的輪系)。

     

           這種裝置的制造很復雜,但它的存在,使發條在上弦時不失扭矩,從而確保鐘表上弦時也能正常運作。如果沒有它,機軸擒縱機構的功能就會大打折扣,因為振蕩將完全受控于發條提供的動力。發條、芝麻鏈和機軸擒縱(擒縱輪垂直于齒輪系,兩個“擒縱片”依次與擒縱輪凸齒咬合)的組合,幾乎是1650年代前唯一使用的擒縱機構。需要注意的是,帶有兩個“擺桿”的原始平衡擺在16世紀逐漸被環形擺輪所取代。環形擺輪受不同位置的影響較小,但對沖擊同樣敏感;如果沒有螺旋式游絲的話,精準度仍顯不足。

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