涨知识-手表的工作原理

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在怀表正式出现之前,人类就有了比较可靠的计时工具,那就是——摆钟,1582~1583年,意大利物理学家和天文学家伽利略发现了摆的等时性,1657年,荷兰物理学家和天文学家C.惠更斯利用摆的等时性原理发明了摆钟。摆钟在当时来说完全可以满足人们对精确计时的需求。

大航海时代在茫茫大海上漂流最主要的就是要知道自己的位置,那个时候可没有导航和定位,从欧洲往美洲穿洋过海的航行,怎么确定自己的方向是正确的,自己到了哪里?还要多少天才能靠岸补给?这就需要准确的时间,外加6分仪观察天像,才能推算出自己大概的经纬度,这样就知道船的位置,具体怎么算的请自行某度。

在不用摆的航海钟之前,人们也改进了摆钟来适应航海,最普遍的就是双摆钟和多摆钟,航海钟就是现代手表的原型——游丝摆轮计时器。

现代手表的基本原理就是摆轮计时的原理。

其实把手表简化后来看,手表就是利用弹簧的弹力来驱动齿轮转动的机器,但是关键在于怎么让这组齿轮的转动能够以定速均匀规律的转动,只要这组齿轮能够匀速转动,就具有计时效果。但我们知道弹簧的力量释放过程是一个递减过程,它所驱动的齿轮系也会因为弹力的释放越来越慢,与匀速运动差远了,所以就得有一组控制机构来控制,让齿轮系近似(不可能完全)匀速运动,这样就可以来计时了。

在游丝摆轮出现前,当然是用钟摆来控制了,但基于以上所说的原因,人类必须发明一种在颠簸的船上也不受影响的控制机构来适应航海计时,所以就有了游丝摆轮的设计。1675年惠更斯宣布发明了游丝,并制成了靠游丝驱动的表,轰动一时。但胡克却宣称他早在1658年就设计出了一种用游丝驱动的表,惠更斯的发明纯属抄袭之作。具体是谁发明的,我们并不关心,只要知道游丝其实就是一根有弹性的小弹簧就可以了,上一张图片给大家看看什么是游丝摆轮。

下面我们来用文字描述一下这个控制系统是怎么控制一组齿轮匀速运动的,在描述之前,请注意马轮,它并不是图上显示那样单独放在那里,它的下面还有齿轮相接到发条盒,为了描述方便,大家可以想象一下马轮一直受一个旋转力的驱动,处于一种发力的状态,只不过被卡瓦卡住转不动了。如果拿掉其它零件只看摆轮的话,是这样的

游丝最外面的头是固定在下面白色的板子上的,最里面的头焊在摆轮轴上,摆轮现在停的位置是一个平衡点,往左往右推动摆轮都会使游丝受力,游丝会拉扯摆轮停到平衡点上,如果我们现在往右推动摆轮并放手会发生什么情况呢?摆轮会因为游丝的拉扯又往左转,由于摆轮自身有重量,回转的过程中摆轮产生的惯性会使往左转并超过平衡点,但游丝又会拉扯摆轮往右转,同样由于惯性会使摆轮转过平衡点并再一次被游丝拉向左边,这个过程是重复的,但是摆轮轴有摩擦力,所以每转一个过程都会因摩擦力而损失一点能量并最终停了下来,注意这个摩擦力,如果没有摩擦力这个摆轮会永远动不停。所以摆轮轴都做的非常非常非常细,因为越细摩擦力越小,摩擦力越小表走的时间就越长越精确。

擒纵系统的运动过程

2、冲击:左叉瓦由于受到马轮齿的冲击,继续抬升,使叉头越过中线继续向右,叉关此时反过来推动圆盘钉,使整个摆轮逆时针旋转,注意游丝的平衡点这时已经过了,在摆轮逆时针旋转过程中游丝开始收紧储力,这时摆轮旋转的动力完全靠着叉头来推动,而左叉瓦的抬升也使右叉瓦下降到可以与马轮齿接触的位置,只是因为马轮齿与齿之间有较大间隙,所以这时马轮齿还未与右叉瓦接触。

D、垂落:左叉瓦与马轮齿脱离,右叉瓦完全落下,马轮继续旋转,直到马轮齿与右叉瓦接触被卡停,此时圆盘钉开始运动到脱离叉头的位置,叉头不再向圆盘钉提供动力,摆轮开始依靠自身惯性继续旋转。

E、牵引:摆轮在自身动能耗尽后,受到游丝的拉扯作用,开始往回旋转直到进入叉头位置带动叉头提起右叉瓦,开始了方向相反的动作过程,就不细说了。以上就是游丝摆轮擒纵系统的工作原理,它通过一停一走的方式控制了发条弹簧的释放的压力,使整个齿轮组均匀规律的动了起来,所以手表才可以计时,这部分是整个手表的心脏,当然,随着技术的发展,70年代又出现了新的擒纵系统,我们都知道游丝是金属,是金属就会疲劳,也容易被磁化,所以游丝摆轮系统的运转随着时间的推移,会慢慢变的不那么可靠,所以70年代出现了以磁铁的磁力代替游丝的磁摆技术,但是我没见过,然后有位日本科学家又推出了一种不用摆轮的双齿轮联动的擒纵机构,据说雅典表用的就是这种技术。

上一张简化的原理图,来说明一下整个手表的工作原理。

还是从右边的擒纵系统开始来说,为什么这组齿轮可以计时。首先是游丝,游丝是一卷弹簧,但并非是看上去的同心圆,而是阿基米德曲线展开,制作时通过对游丝弹力和长度的计算和摆重的配合,它和钟摆的原理是一样的,摆动周期是固定的,现在一般设计的慢摆表的话每秒是摆动5次,快摆表的话每秒是8次,折算成小时的话慢摆18800次每小时,快摆是28800次每小时,当然也有其它的频率,频率是手表的一个重要性能指标,你要是买表的话,可以问问每小时的频率是多少,手表所发出的滴答声就是擒纵系统产生的,摆的越快,震动对手表产生的影响就越小,计时精度就越高,但缺点就是磨损也越快。

慢摆表马轮通常是15齿,马轮上的副齿轮通常是6齿,如果这是一块慢摆表的话,那马轮每转过去5齿就会过去一秒,马轮转动一圈的话就是3秒钟,也即副齿轮转过6齿就是3秒,秒轮的转速直接受马轮副齿轮控制,秒轮转动一周为60秒。这就完成了秒的计时显示,分针和时针的道理是一样的,加上一个齿数比不一样的齿轮即可。

原理说完了,可是一块表想要走起来,即使是最简单的三针手动上条手表,也得有上百个的零件配合,实现显示时、分、秒和调时、上条两项基本功能才能算是手表。

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