如何保證發條均勻發力？

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按照胡克定律，F=KX，隨著發條的鬆動發條提供的力也會減小，這對於驅動手錶這種精密用具非常不利，在這些領域如何解決這種問題？

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這個問題很複雜，容我慢慢道來。

想必大家小時候都玩過鐵皮青蛙吧！給青蛙上發條以後放在地上，青蛙就會跳動。其中有一個細節，不知道大家還記得嗎？青蛙的跳動是先快後慢，直到沒有能量完全停止。

其實早期的鐘錶和鐵皮青蛙的設計是類似的，裡面都是有一捲髮條，先將發條上緊，然後讓它鬆開，接著帶動齒輪。只不過，鐘錶最後傳輸到的地方是指針，而鐵皮青蛙傳輸到的是它的兩條腿。和鐵皮青蛙一樣，按照胡克定律，F=KX，隨著發條的鬆動發條提供的力也會減小。早期的鐘錶也是先快後慢，誤差非常大，一天幾十分鐘，甚至幾個小時都有可能。

機械機械儀器能夠準確記錄時間，讓時間有了度量。不得不提到一個人，那就是近代實驗科學的奠基者之一伽利略。1583年，在他19歲的一天，他無疑觀察到觀察到懸在天花板上的掛燈微微晃動。伽利略發現這個掛燈擺動逐漸平息的過程中，每次擺動所用的時間並不改變。這一發現引起了伽利略的思考，回家後，他繼續研究，發現並提出了單擺的isochronism等時性。即擺的周期並不取決於擺線上懸掛物的多少，而只取決於擺線長度的平方根。如果不考慮阻力的影響，懸掛在等長線上的一個軟木球或一個鉛球的擺動規律是相同的。如果使用相同長度的線，就能確定相同的擺動周期，就能準確記錄時間。簡單一點說，通過使用鐘錶就能夠比較平緩消耗發條的能量，不會出現特別大的波動。伽利略意識到了這一偉大發現的重要性，於是他開始用擺，並應用擺的等時性指示時間。但是在當時科學被宗教壓制，他由於從事科學活動遭到了教會的迫害。到1636年，他已經雙目失明，還向荷蘭政府建議試製擺鐘，卻沒有如願。1641年伽利略將其鐘錶概念傳給其子Vincenzio，然後他就於1642年去世。Vincenzio於1649年開始建造並不幸地於當年去世，這意味著此項工作永遠再無法完成。

幸運的是在1657年在義大利籍伽利略與瑞士籍喬斯特-布基Jost Bürgi的工作基礎上，由荷蘭物理學家Christian Huygens發明了鐘擺鍾。其建造工作被委派給了荷蘭鐘錶匠薩繆爾-考斯特Samuel Coster。惠更斯第一個將鐘擺鍾帶離實驗階段。1659他完善了鐘擺的等時性。惠更斯發現了伽利略實驗的一處局限性(周期誤差)，製造出了擺線式鐘擺，無論擺幅多大均能確保擺動周期嚴格一致，即使在大擺幅的情況下也是如此。1673出版《Horlogium Oscillatorum鐘錶擺動》，這是惠更斯闡述鐘擺鍾運行和組裝的一部主要著作。這是他在擺和鐘錶學方面的主要著作。[1]該書被認為是17世紀力學三大著作之一，另兩本是伽利略的兩種新科學(1638)和牛頓的自然哲學的數學原理(1687)。事情到了這裡，就開始了戲劇性的變化。另一位主人公英國物理學家胡克出場了。胡克建立了彈性體變形與力成正比的定律，就是著名的胡克定律。1660年他在實驗中發現螺旋彈簧伸長量和所受拉伸力成正比。1676年在他的《關於太陽儀和其他儀器的描述》（A Description of Helioscopes and Other Instruments）一文中用字謎形式發表這一結果，謎面是ceiiinosssttuv。1678年在他的小冊子《勢能的恢復——論說明彈跳體能力的彈簧》（Lectures de Potentia Restituva, or of Spring Explaining the Power of Springing Bodies）一文中公布了謎底：ut tensio sic vis,這句拉丁文的意思是「伸長量和力成正比」。這是關於彈性體胡克定律的最早形式。胡克對萬有引力定律的發現起了重要作用，牛頓應用了他的觀點，但牛頓卻拒絕承認來自胡克。他用顯微鏡觀察軟木結構中的「微孔」或「細胞（cell）乃生物學中「細胞」一詞的起源。他在1672年發現光的衍射現象，並採用光波理論解釋這種現象。胡克製造過各種機械，包括萬向接頭在內。1666年倫敦大火以後，他在重建城市中設計了一些重要建築物。風向儀，水平儀等裝置的發明權也常常歸功於他。可能是胡克實在是太忙了，他發現了彈簧的特性並對此做了大量的研究，但是他卻沒有做出第一隻實物。而是停留在書稿上面。

直到他知道惠更斯在1675年1月30日向法國皇家學會展示了遊絲擺輪實物，替代他成為了官方認可的鐘錶遊絲擺輪的發明人。他暴跳如雷並開始了一段和惠更斯曠日持久的遊絲發明權的爭奪戰。惠更斯和上次製作擺鐘一樣，並沒有自己親自動手，而是委託法國鐘錶匠IsaacThuret或 Jacques Thuret製造了世界上第一枚採用遊絲的鐘錶。至此，鐘錶歷史翻開了新的一夜，其後的300多年間，幾乎所有的鐘錶都是採用具有等時性的遊絲設計。惠更斯改變了鐘錶行業，開創了精確性的時代，被稱為科學製表之父。

通過擒縱系統對發條的輸出能量進行平穩消耗，是機械鐘錶準確走時的關鍵。擒縱調速系統可以是鐘擺，可以是遊絲擺輪，在製表歷史上面也出現過其他的擒縱調速系統，比如滾珠擒縱調速系統。實物運行視頻→→→視頻

雖然，擒縱調速系統在很大程度上面已經解決了發條輸出力矩的不均衡，但是為了更加完美地解決，歷史上面，一代又一代的製表人還作出了其他的嘗試。

1.芝麻鏈恆動力裝置

芝麻鏈裝置的名稱「fusée」為法語，源自拉丁語fusata，意為繞滿線的紡錘。其基本原理是：通過連接發條盒的鏈條在錐形寶塔輪粗細不等的兩端間的運動，來抵消因發條輸出力矩前後不均而導致的走時不準的問題。1490年，萊奧納多·達·芬奇(Leonardo DaVinci)就已在他的機械裝置中繪製出了這一機構原理的草圖。

下圖，是一枚使用芝麻鏈的古董懷錶。

芝麻鏈的鏈條就像直行車的鏈條一樣，只是尺寸變得非常非常小，加工裝配難度係數非常大，在日常使用中，如果上弦方向錯誤，就會扯斷這根纖細的鏈條。再加上，芝麻鏈非常占空間，所以現代手錶很少見到這個裝置。如果使用這樣裝置的現代表會很貴，老的懷錶相對便宜很多。下圖的這枚寶璣芝麻鏈恆動力陀飛輪價格100w人民幣左右。

寶璣La Tradition Tourbillon，當代手錶集大成者。天才萊昂納多·達·芬奇Leonardo Da Vinci的芝麻鏈設計提供恆動力，製表大師亞伯拉罕-路易·寶璣Abraham-Louis Breguet的陀飛輪裝置抵消地心引力。新興材料也融入傳統機械之中，配有鈦制擺輪和硅質寶璣遊絲。 實拍實物運行視頻 →→→ 視頻點擊視頻即可觀看

2.擒縱系統恆動力裝置

恆動力的實現有兩個方案，一個是在輪系實現，代表就是芝麻鏈，通過均力圓錐輪利用槓桿原理，改變了力臂進而改變力矩，因此實現發條能量的穩定輸出。一個是在擒縱系統實現，將輪系傳來的力量提前進行處理，再傳輸給擒縱系統，這樣就能保證精度！

這一枚LANG HEYNE就是採用擒縱系統恆動力方案，簡單點說，在擒縱輪上面載入了一個"卡放裝置"，相當於又一個"擒縱系統"。能量傳導來，附加的彈簧遊絲吸收能量收縮，然後由於金屬彈性又將力量釋放，由於還有一個附加的擒縱叉控制，所以輸出的能量就變得平穩。再將平穩的力量輸送給真正的走時擒縱。這枚恆動力大三針機芯採用最傳統的德國修飾，黃金螺絲擺輪，寶璣遊絲，鵝頸微調，鋼輪太陽紋打磨，藍鋼螺絲，黃金套筒，鎏金夾板，陶瓷盤面，路易花針，擺輪蓋石還是一枚鑽石。恆動力遊絲5秒鐘一個周期，每5秒鐘就會發出額外一聲悅耳的滴答聲。

下圖和視頻均為F.P. JOURNE SOUVERAIN，儒納在擒縱部分使用遊絲彈簧調節發條能量。價格也是在100w左右

肯定沒有人發過，F.P.Journe恆動力陀飛輪，千萬不要為了節約流量不看。

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3.限位釘

1583年，伽利略發現了鐘擺的等時性，並提出應用於鐘錶，指:鐘擺來回擺動的一個周期和擺錘的質量無關，也和擺幅無關，只和擺線長短有關。但惠更斯發現在大擺幅的情況下，擺動周期有變。惠更斯發明了在鐘擺兩側（圖二）加裝C型彈簧板，讓其最大幅度限制在一定範圍內，以保證鐘擺的等時性。

在鐘上面就是使用c型擋板，在表上面就是使用限位釘。但是限位釘只在力矩大的時候起作用，將擒縱叉的最大擺動幅度限制在一定的角度內，進而限定傳輸給遊絲擺輪的最大能量。對力矩小的時候，不起任何作用。

4.特殊的輪系設定

限位釘的作用是控制發條輸出力矩不超過某一個最大限度，而還有一種通過特殊的輪系設定，讓發條在將要釋放完畢.力矩處於接近衰減完畢的時候直接讓手錶停止運行，不讓機芯運動處於一個不良好的狀態。

打個比喻，限位釘就是限制高血壓的人參加運動，特殊輪系就是不讓低血壓的人參加運動。限位釘是強制限制高血壓病人的最高血壓，將血壓壓到一個設定的水平並讓其一直運動。而特殊輪系，則是讓低血壓病人直接不運動，讓他一邊呆著去。

這枚工程師腕錶搭載了IWC 50000型機芯，在著名的啄木鳥上鏈系統幫助下，自動陀旋轉1960次後就能實現高達7天的動力儲存。為了達到如此長的儲蓄，發條足足有850mm，厚度只有0.14mm。長動力機芯並不只是在發條上面做文章，通過設計這表會在168小時後暫停機芯運行，確保等時性，保證走時精度。

5.自動手錶

自動手錶比手動手錶要准一些。

發條盤裡面的發條收縮，然後不斷擴大，釋放能量給遊絲擺輪調速系統。可是普通手動機芯的發條力矩是先大後小，有一個衰減過程，這會影響手錶走時，這就叫等時性誤差。舉例:一塊手錶在剛上好鏈的時候，發條力矩大，同一位置瞬間誤差在5秒，過了24小時後，發條的力量減少，同一位置瞬間誤差就達到25秒。20秒，就是這塊表的等時差。普通手錶不對這點誤差進行調整，而高端手錶或長動力手錶會添加「恆動力」系統，用以平穩發條盤傳輸出來的力量。

然後自動手錶具有防「過上鏈」設計，當自動手錶上鏈滿額的時候，自動陀再給發條上鏈，發條會在發條盤裡面滑動，不會再「收縮」。當發條擴大了一點，釋放了一點能量，自動陀再轉動上鏈，發條就不會滑動，而是會收縮儲蓄能量。這樣，自動手錶的發條就能一直保持「上緊」，這樣提供的能量就比較一致，輸出力矩平穩。手錶的走時就更穩定，誤差小。