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腕表机芯避震器科普:伽利略避震器是游丝摆轮的启蒙者!



1583年,伽利略在教堂发现了一个有趣的现象。教堂顶悬挂的吊灯在添加新油后仍然在空中摆动,虽然吊灯的左右摆动幅度越来越小,但每摆动一次所花的时间似乎相等。回家以后,他通过大量的实验分析,伽利略发现了摆的等时性。即“摆左右来回摆动一次所需要的时间和左右摆动的幅度无关,而和摆的长度有关”。根据计算出来的公式显示,摆越长,需要的时间越多;摆越短,需要的时间就越短。如果限定了摆的长度,那么人们就可以利用摆左右来回晃动的规律性去制作钟表。

 

在之前,人们对于时间的计算,最基本最可靠的方式就是看昼夜。一个白昼加一个黑夜就是一天,假设摆在一天内可以左右晃动86400次。因为每次晃动所需要的时间都是相等的,所以就可以得出一个结论。摆左右晃动一次就是1秒钟,晃动60次就是1分钟,晃动3600次就是1小时。只要记录摆已经晃动过的次数,再累加计算,就可以知道当前的具体时间了。

 

可惜伽利略没有进一步将摆锤发展为实用的计时工具。直到1656年左右,荷兰物理学家惠更斯利用摆的等时性原理,终于制成了世界上第一架计时摆钟钟表。
 



1675年,惠更斯发现一个现象:如果将铁丝弯曲成螺旋状,铁丝的内端和一个金属环固定,外端固定在其他地方,那么金属环受力旋转起来,其左右来回摆动所需要的时间相同的。这和钟摆的原理一模一样,于是人们就又利用这一显现来制作钟表。

 

因为铁丝非常纤细,和头发丝一样,所以英文称为“Hair-Spring”,中文翻译为“游丝”,取的是“飘荡在空中的蜘蛛丝”的意思。而金属环来回摆动,所以中文取名“摆轮”。

 

现代我们所使用的机械手表,几乎全是利用‘游丝摆轮’的特性来设计生产。游丝摆轮的状态直接决定手表走时的精度、稳定性,乃一块手表中最为精密的地方。

 

而决定“游丝摆轮”周期性的要素有两个,一个是“游丝”,另一个就是“摆轮”。

 

当摆轮不变的情况下,游丝的工作长度越长,摆轮来回转动所需要的时间就越长。钟表里面的齿轮不变,手表就走得越慢;

 

游丝的工作长度越短,摆轮来回转动所需要的时间就越短。钟表里面的齿轮不变,手表就越走越快。

 

最容易的理解的现象就是,有时候我们的手表会受磁,游丝受磁以后会发生粘连,这样游丝的工作长度就变短了,手表自然会走快。
 


于是,钟表师们就利用改变游丝工作长度进而改变手表走时的快慢。当手表走慢了,就缩短游丝的工作长度。当手表走快了,就增加游丝的工作长度。

 

而控制游丝工作长度最明显的部件就是“快慢针”,使用时,向左或向右偏移即可。




而这些年,大热的“鹅颈微调”其实就是“快慢针”的一个升级版本。上图为朗格的鹅颈微调结构,红线所标注的就是快慢针。

 

传统的单一快慢针结构可能在受到震动时发生偏移,进而导致手表走时意外变快变慢。同时,钟表维修师傅在调节时也不容易把握需要偏移的具体角度。

 

鹅颈微调的出现则改善了这两种情况,因为鹅颈是带有弹性的金属钢件(黄色),所以一旦被调节螺丝(绿色)锁定,快慢针就很难在受到震动的情况下偏移。同时,用螺丝刀去转动调节螺丝也更容易做出细微的移动,这样,对于钟表的走时精度的调节更精细。

 

上面提到了,决定“游丝摆轮”周期性的要素有两个,一个是“游丝”,另一个是“摆轮”。对于要素游丝,常用的方法是调节游丝的工作长度。而对于要素摆轮来讲,就是去调节摆轮的重量。

 

这一概念很容易理解,在游丝不变的情况下,摆轮越重,摆轮来回摆动所需要的时间就越长,钟表里面的齿轮不变,手表就走得越慢;摆轮越轻,摆轮来回摆动所需要的时间就越短,钟表里面的齿轮不变,钟表就都得越快。

 



这个时候,可能有表友会提问,通过摆轮要素去调节钟表走时快慢真的是添加或减少摆轮本身的重量吗?

 

其实不是的,因为摆轮太过于精细,是难以在后期增加、减少重量的。于是钟表师们研究出调节摆轮运动惯量的方法。

 

在摆轮内侧装上螺钉,调整运动惯量的时候,将螺丝拧进、拧出即可。螺丝和摆轮的重量并没有改变,但螺丝的距离摆轮中间的距离发生了改变,所以运动惯量就相应变化。

 

劳力士摆轮上面有两组砝码,一组大砝码,一组小砝码。大砝码调节一格可以改变每天2秒,小砝码是每天1秒。

 

比如,旋转砝码向蓝色箭头方向移动,摆轮的运动惯量就变重,手表就可以走慢。旋转砝码向绿色箭头方向移动,摆轮的运动惯量就变轻,手表就可以走快。


 

除了劳力士那种以外,百达翡丽也有一种摆轮,也是通过调整摆轮的运动惯量来调节手表走时快慢的,异曲同工之妙!

 

在之前提到,通过快慢针去调节游丝的工作长度的方法可能在后期偏移产生误差。虽然后来提出了诸如鹅颈微调、蜗牛微调之内固定快慢针的方式,但是在改变游丝的工作长度的同时,还会影响到游丝的内外桩、卷进角,导致产生非常非常复杂的变化(复杂到完全看不懂)。

 

所以在高端的钟表之上,一般采用的都是砝码摆轮,通过改变运动惯量去调节走时快慢。而游丝的工作长度在设计机芯时设计已经限定,成品没有快慢针,无法调节工作长度。这样的设计被称为“无卡度砝码摆轮”。当然,也有部分品牌将快慢针和砝码摆轮同时使用。不过理论上,单一“无卡度砝码摆轮”更好。

 


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