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手錶知識


溫度變化



温度变化


問:

溫度會影響手錶嗎?如果會,那怎麼消除這種影響呢?

Ribella Hortensia 西班牙

答:J.C. Nicolet教授

惠更斯和哈里森(Huygens and Harrison)

溫度的變化當然會影響計時器的走時。然而,在手錶早期的發展史里,這種影響卻被忽視了,因為溫度波動所導致的混亂,比設計的不完美所引起的變化要小得多。

1675年,荷蘭學者克里斯蒂安•惠更斯有了一個想法,那就是將一根扁平的擺輪遊絲固定在手錶的擺輪上,用來調節手錶的走時。這個重要的創新標志著現代製表業的開始。惠更斯擺輪遊絲的運用,使其手錶的精準度比其它手錶高出10倍,在物理性能上,這也算得上是一個極大進步。舉一個例子,第一塊裝上擺輪遊絲的手錶,每天走時誤差只有4到5分鐘,但是那些沒裝的手錶,每天走時誤差則從40到50分鐘不等。1675年,荷蘭學者克里斯蒂安•惠更斯有了一個想法,那就是將一根扁平的擺輪遊絲固定在手錶的擺輪上,用來調節手錶的走時。這個重要的創新標志著現代製表業的開始。惠更斯擺輪遊絲的運用,使其手錶的精準度比其它手錶高出10倍,在物理性能上,這也算得上是一個極大進步。舉一個例子,第一塊裝上擺輪遊絲的手錶,每天走時誤差只有4到5分鐘,但是那些沒裝的手錶,每天走時誤差則從40到50分鐘不等。

倫敦皇家學會秘書,奧爾登堡Oldenburg,他也是惠更斯的朋友。他給這個荷蘭人寫了一封信,說:「我們皇家學會非常確信溫度對擺輪遊絲有重大的影響,而我們也相信這點一定引起了您的注意。」1675年5月1號,惠更斯用自己的實驗回信到:「我沒有發現,把擺輪遊絲放在火焰上加熱后,跟冷卻時比起來,其振動有所減慢。」

但是,惠更斯錯了。不久,隨著手錶設計的改進,溫度在擺輪遊絲彈性上所扮演的重要角色也逐漸顯現,因此,人們也注意到它會導致走時誤差。然而,直到1714年,我們才找到了這個問題的大致解決辦法。

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圖1:約翰•哈里森(1693-1776)

約翰•哈里森(1693-1776)首次製造了一塊精密計時器,它精準到足以用在遠洋航行中測定經度。他的「四號」表,贏得了英國議會提供的兩萬英鎊的獎金,就裝上了這種裝置,來糾正溫度波動造成的誤差。此裝置由一條雙金屬帶所構成,作為溫度變化時的一個功能,金屬帶可調節擺輪遊絲的長度,使其能自動伸縮。儘管,這個特別設計是很累贅且不可調節,但是它卻很有用。在海上航行156天後,考慮到手錶已知日常變異,哈里森的「四號」表誤差只有15秒,這就意味著在倫敦的緯度,誤差小於5米。

1726年,哈里森在33歲時開始了自己的研究。1764年,他獲得自己發明獎金的一半,而直到1772年,他去世前4年,才獲得另一半獎金。看起來,「英國佬」對他們的後人還真是吝嗇地要命。

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圖2:約翰•哈里森做的溫度補償發明,包括了一個由鋼鐵和青銅棒組成的系統,它會自動改變擺輪遊絲的長度(左圖)。他那塊,在1711年,贏得議會大獎的「四號」表,就只是用一根單獨的雙金屬棒作用於擺輪遊絲上。

溫度的影響

溫度的變化會對手錶產生很多影響。其中,最主要的影響就是,鋼鐵螺旋體的彈性會有所損耗,在溫度升高的情況下,它會造成大概每天每攝氏度11秒的誤差。擺輪的膨脹和擺輪遊絲的伸長,都會產生很小的誤差,但是擺輪遊絲厚度和高度的增加正好可以補償。

作為一個溫度功能,潤滑油粘性的非線形變化,會產生一個非量化的影響。但一般說來,在正常佩戴手錶的情況下,此影響是非常弱的。

熱補償

熱補償是任何用來補償或者抵消溫度對手錶機芯運作影響的過程。

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圖3:皮埃爾•樂華 (1717-1785).

皮埃爾•樂華(Pierre Le Roy),法國精密計時學創建人之一,首次開發了一種熱補償技術,用在擺輪上,而不是像哈里森的技術用在擺輪遊絲上。它是一個雙金屬半圓擺輪成兩部分,外圈由青銅製成,而內圈則由鋼鐵製成,兩者都裝上了螺母,以便在任何需要的情況下進行調節。當溫度上升時,青銅圈膨脹得比鋼圈快,這時環會變緊。在擺輪的慣性降低的那一刻,手錶會因此加速往前走,進而補償因擺輪遊絲所產生的誤差。這個可完全調控系統很有效,且易管理。在19世紀期間,所有熱補償性能的手錶都裝有雙金屬擺輪。

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圖4:皮埃爾•樂華的熱補償系統,它為一雙金屬半圓擺輪,成兩部分,外圈由青銅製成,圈由鋼鐵製成。在常溫狀態下(左圖),兩部分會保持直線。當溫度上升時,長的雙金屬部分會移向中心。當溫度降低時,此部分會移到反方向。

夏爾•愛德華•紀堯姆(Charles Edouard Guillaume)

溫度變化所產生問題的最好解決辦法是來自瑞士弗勒里耶的夏爾•愛德華•紀堯姆(1861-1938)。紀堯姆是法國塞弗爾國際重量和測量局主任,專門研究鎳鋼合金的屬性,其目是為了制定一個熱不敏感標準,來測量儀錶的長度。1897年,他創造出一種材料,在絕大多數正常溫度範圍內,其膨脹係數幾乎為零。紀堯姆把這種新的鐵鎳合金材料叫做團瓦合金(INVAR),它在局裡的標準測量儀上很管用,此外,在時鐘製造方面,它也找到了用武之地,那就是不管溫度怎麼變化,它都能讓擺桿保持相同長度。在此發明之前,因鋼鐵發熱會致使其長度增加,這樣會造成每天每攝氏度0.5秒的誤差,因此,那些「高精確度」鍾都必須安裝一些類似於膨脹補償的裝置。受到時鐘上團瓦合金成功運用的鼓舞,表匠們也決定用它來取代一般傳統的鋼鐵擺輪。

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圖5:一塊獎牌紀念夏爾•愛德華•紀堯姆從國際重量和測量局退休。

20世紀初,團瓦合金輪擺遊絲,為手錶上的熱改變,提供了一個非常合理的解決方案。然而,我們卻花了二十多年的時間來使其更加完美。1912年,一種含鎳29%的新合金被開發出來,但它卻有一個重大的缺陷——太軟,因此不太好用。最終,直到20年代早期,紀堯姆和 Chenevard及Imphy鋼鐵實驗室的合作,才開發出了一種叫產品鎳鉻恆彈性剛(ELINVAR)。

用新合金材料製成的擺輪遊絲叫做"自動補償擺輪遊絲"。它迅速地取代了其鋼鐵材料的對應部分,且其還有一個額外優點,那就是摒棄了兩片雙金屬擺輪。此外,鎳鉻恆彈性剛不易受到磁力的影響,也不易被氧化,因此,也大大提高了手錶在這些區域的質量。為了表彰他的傑出貢獻,他在1920年被授予諾貝爾物理學獎,比愛因斯坦還要早一年。










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