日常系列 350年前的機械技術，機械計時器的原理

大家好,我是方方 本期視頻我們來聊聊這個機械計時器 這個計時器最多可以記錄60分鐘,也就是一圈 使用時需要先轉滿一圈 這一步是爲了給裏面的鬧鈴上弦 如果不上滿的話,鬧鈴的時間太短,可能會聽不到 之後再回轉到需要設定的時間 據說蒸蛋需要8分鐘 接下來,讓我們來深入瞭解一下這個計時器的原理 讓我們從頭開始瞭解 計時器的內部可以分爲兩個部分 計時組,利用油絲、擺輪、擒縱機構、傳動齒輪組 以及齒輪組下方的發條來告訴我們時間的長度 可以看到,這是由一條鋼片捲成的兩捲髮條 其中一卷給計時組功能,另一卷則給鬧鈴組功能 以便在時間歸零時,帶動機錘來回擺動 敲擊金屬外殼,發出鈴聲 先讓我們來看看,轉動外殼時發生了什麼 上外殼卡扣在中間齒輪上,帶動其一同轉動 中間齒輪帶動一旁的異形齒輪 兩齒輪又分別帶動各自中軸,捲起發條 再看一遍 使用異形齒輪是爲了保證中間齒輪最多隻能轉滿一圈 接下來讓我們分組瞭解 先是計時組,發條上弦後開始釋放能量 驅動中央的60尺分針齒輪 以每分鐘6度的速度逆時針轉動 也就是每分鐘移動一尺,60分鐘轉完一圈 發條儲存的能量爲什麼能夠以這樣的速度釋放 歸功於油絲百輪擒縱機構 那什麼是油絲 油絲是一種按照阿基米德螺旋線盤繞而成的黃片 通常使用合金製成,具有等時性 所謂等時性是指油絲擺動時 不管幅度大小,收張一次所用的時間都是相同的 油絲所使用的材料,長度,安裝方式都會影響其擺動頻率 而油絲的穩定性直接影響着一隻表的精度 現在我們把這個計時器所用油絲的擺動頻率 設計爲每小時擺動10800次 也就是一秒來回擺動3次 瞭解了油絲的性質,我們再來談談擒縱機構 擒縱機構由擒縱叉和擒縱輪組成 發條的能量通過齒輪傳遞給擒縱輪 使擒縱輪保持轉動,直到發條能量完成釋放 讓我們仔細觀察一下擒縱輪轉動時發生了什麼 首先,擒縱叉的右側出口叉卡住了擒縱輪 使擒縱輪無法轉動 另一端,油絲帶動擺輪上的衝擊銷撞擊插口內側 使擒縱輪擺脫出口叉限制 緊接着,擒縱輪齒的斜面衝擊出口叉 給予擒縱叉一定的動能 該能量又通過插頭賦予衝擊銷 最終帶動油絲擺動 同時,擒縱叉偏轉 左側的進口叉又卡住了擒縱輪 擺動後的油絲儲存了一定彈力 開始回擺,帶動衝擊銷撞擊插頭 使擒縱輪擺脫進口叉的限制 緊接着,擒縱輪齒的斜面又衝擊了進口叉 給予擒縱叉動能 並作用在衝擊銷上 使油絲繼續擺動 並儲存下一次回擺的能量 這個過程不斷重複 就是油絲擺輪擒縱機構的原理 所以擒縱輪的轉動速度取決於油絲的擺動速度 油絲來回擺動一次 擒縱輪轉動一次 我們剛纔設定了這條油絲的頻率 每秒三次 所以擒縱輪每秒轉動三次 搭配上適當的傳動齒輪 我們就可以讓中間的60齒翻針齒輪 每3600秒轉一圈 當然,這是忽略掉各種能量損耗的理想狀態 瞭解了計時組 我們再來看看鬧鈴組 還是從上弦開始吧 我們已經知道轉動外殼時 中間齒可以帶動異形齒轉動 併爲鬧鈴組上弦 但並不是異形齒直接帶動了中軸 而是異形齒的凹槽頂住了激發輪的凸柱 激發輪的凸柱又抵住最上方的擋針 擋針帶動中軸轉動 上緊發條 中軸轉動的同時 下方的急輪齒輪並沒有跟隨轉動 這是因爲激發輪頂住了撞錘 而撞錘由急輪齒輪帶動 撞錘無法向內擺動 也就限制了急輪齒輪轉動 因此這裏使用了一套急輪機構 確保上弦時受到限制的急輪 不會影響到中軸的轉動 但即使上完弦 發條也無法帶動急輪立刻反轉 因爲撞錘依然被激發輪頂住 鬧鈴組上緊的發條能量暫時無法輸出 整個中軸的轉動被限制 那即使組開始轉動並最終歸零時 是怎麼觸發鬧鈴的 我們已經知道 中間的60尺分針齒輪 會用3600秒逆時針轉彎一圈 上層齒輪也是如此 這裏有一個問題我們剛剛沒有解釋 由於擒送機構的存在 上弦時順時針轉動中軸 分針齒輪受到擒送機構的限制 是無法跟隨中軸轉動的 同樣 我們調整計時時間時 逆時針轉動中軸 分針齒輪也不能跟隨轉動 但計時開始後 中軸卻可以帶動分針齒輪 以每分鐘6度的速度同步轉動 顯然不能利用鬧鈴組的單向急輪 那怎麼實現 答案是摩擦力 分針齒輪被夾緊在兩個金屬圓盤中間 利用它們之間的摩擦力 既可以正常參與技術傳動 又不會損壞擒送機構 說回鬧鈴組 計時開始後 中間齒輪開始逆時針轉動 並帶動鬧鈴組的異形齒輪 異形齒輪帶動下層的激發輪 我們把轉動速度加快 可以看到 異形齒輪帶動激發輪轉動 並不會影響鬧鈴組的其他部件 當計時器歸零時 激發輪剛好釋放撞錘 發條能量得以輸出 帶動齒輪轉動 進而撥動撞錘來回擺動 敲擊金屬外殼 發出鈴聲 直到發條能量完成釋放 以上便是本期視頻的全部內容了 每一項發明的背後 都是設計者的奇思妙想和縝密邏輯 我是放風 感謝您的關注 我們下期再見