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手錶知識


陀飛輪



陀飞轮


陀飛輪

來自拉德夏芳的手錶技藝大師和教授Jean-Claude Nicolet,他是陀飛輪領域的專家,專門為Europa Star撰寫了下面這篇文章。他對陀飛輪的研究發人深思,並且還可能在讀者間引發一些爭議。爭論陀飛輪卓越且專業的品質,這絕非是Jean-Claude Nicolet的本意,因為它的手工製作確實要下功夫。Nicolet先生想要把精力集中在某些不太適當的特性上,而他們正好是陀飛輪製作難的原因所在。

這就是說陀飛輪也存在好壞之分,注意到這一點是很重要的。換句話說,這個重要的手錶製作技藝的質量可能會有所不同。手工製作的陀飛輪框架和某些工業製造的之間有許多不同。我們期待您對此的點評。

陀飞轮

陀飛輪裝在了一塊直徑為66毫米的計時器上。由Robert Gafner開始的這塊良品的製作,而他的接班人Paul Vuilleumier則將之完成,他們兩人都是拉夏德芳製表學校的老師。此表裝配了一個由Rober Gafner所設計的精巧的獨立秒針系統。

歷史

過去幾個世紀,在表匠們發明的所有極負盛名的機械裝置中,陀飛輪卻享有專屬盛譽。這有兩個根本原因:1.毫無疑問,這個發明屬於史上最著名的表匠——亞伯拉罕•路易•寶璣Abraham-Louis Breguet,他被公認為「國王們的表匠和表匠們的國王」;2.陀飛輪是一種機械裝置,即便是它最普通的版本,也是極難製造的。在那個所有工具都還有些原始的年代,陀飛輪的製造就是能力的證明,它比最頂尖鍾錶學校所頒發的學歷都更具價值。

從寶璣Breguet開始,經過了一代又一代的表匠,但能製造此傑作的可能不超過250個。Richard Meis,在其可用作歷史參考名叫《陀飛輪》的書中,引述了120個名字。拿破崙9年第十二個月(1800年12月23號),寶璣Breguet向法國內政部長申請專利來保護陀飛輪。但是這個發明實際上要更早些,寶璣Breguet的傳記作者David Salomons先生指出,應該是在1795年。

從寶璣Breguet開始,有幾個偉大的表匠,特別是那些全身心投入精確度研究的表匠,創造出了陀飛輪機芯。陀飛輪調速器以決定性的方式提高了手錶精準度。下面我們會看到更多。

陀飛輪調速器的定義

你可以稱它為陀飛輪調速器,或者簡言之,陀飛輪。其為一個機械裝置,基本上由一個旋轉框架和擒縱機構所組成,旋轉框架至少帶一個擺輪。

陀飛輪框架通過齒輪系來驅動,它與主機板上的帶齒的表冠共軸旋轉。此表冠通過陀飛輪框架所攜帶的小齒輪來維持擺動器的擺動。在傳統的陀飛輪里,這個小齒輪就是擒縱輪,但這並不是一定的。

在一個叫「轉盤式陀飛輪」的變體中,框架是由介質齒輪所驅動的,第三齒輪會帶動第二小齒輪,而第二小齒輪與轉盤式陀飛輪框架共軸。在此體系中,沒有固定的表冠,但第二齒輪的角速度會隨著攜帶它的陀飛輪框架加速而加快,這是必須要計算在內的。轉盤式陀飛輪是Bonniksen Dane(1859-1935)於1895年發明的。

表冠齒輪有沒有裝在主機板上,能區分陀飛輪是不是轉盤式陀飛輪。

陀飛輪的運用

在陀飛輪中,就像轉盤式陀飛輪一樣,每次脈衝到達擺輪,其框架和所含部件都會輕轉一次。另一方面,當手錶靜止不動時,擺動器還是會不斷變換其位置。特別是當手錶處於垂直位置,部件平衡的殘留缺陷會產生干擾,從而擺動器的不停旋轉會繼續攪動測評結果。每天連續觀察不同的垂直方位,誤差率不會顯示出明顯不同。因此,有人推斷正如寶璣Breguet所期望的那樣,陀飛輪抵消了重力的影響。

一個實用的例子

舉一個實用的例子便可有助於解釋這個現象。設想一下,從四個垂直方位,每隔24小時換一次方位,我們連續觀察四次一塊製作精良的懷錶。

一塊非陀飛輪手錶,結果如下:

陀飞轮

平均日差率和其中一個誤差率的最大差為5(從0到+5或者從-5到0)。在同等條件下,裝有同樣擺動器的手錶,帶陀飛輪的,結果如下:

陀飞轮

像第一種情況一樣,平均日差率相當於零,但是與位置變化相對應的差為零。很明顯,這塊手錶看上去更好,但這是真實情況嗎?

陀飞轮

寶璣Breguet是對的嗎?

在寶璣所申請的專利中,這位大名鼎鼎的表匠提到了陀飛輪的幾個優點,總結如下:

「通過這個發明,我成功抵消了因調速器運動重心位置的不同而引起的異常,並把摩擦力分散到調速器樞軸及樞軸所繞孔周圍的所有零配件上,即便油會凝結,為摩擦面上油總能做到很勻凈,最終避免了許多其它會影響機芯精準度的錯誤。然而,現在卻只有通過不斷地嘗試和犯錯,才能獲得,而且還根本不能保證100%成功。」之後,Breguet只是提到了補償由於位置改變而產生重力的影響。

幸得他小心,才沒有說出在「懸垂」和「錶盤向上」位置,陀飛輪是無法校正日變差的。這就是計時器如何定義由天文台所規定的兩個水平位置和三個垂直位置間的日變差。

找到正確的位置

因此,一塊總在夜間平放著,而白天卻總處於同一垂直方位的手錶,即便是裝上陀飛輪調速器,結果也好不到哪裡去。情況卻更像是相反的,因為在垂直方位,陀飛輪手錶會有一個平均誤差率,而非陀飛輪手錶,根據其所佔位置,只會對應一個測評結果。而讓所選垂直位置之一得到和水平位置幾乎一樣的結果,這是很容易辦到的。陀飛輪手錶只有在白天偶爾改變其垂直方位,它那唯一可能的優勢才能得到體現。而如果位置改變的頻率很高,那麼其「混合點」就會自己出現。

這樣看來,有一點是可以肯定的,在佩戴時,一款陀飛輪腕表的精準度還不如傳統手錶。

為什麼陀飛輪受到這麼多青睞?

如果你剛剛所讀是真實的,那麼,在過去兩百多年的時間里,表匠們對陀飛輪所表現出來的崇拜就很令人費解了。這裡有幾個原因。首先,毫無疑問地就是發明者寶璣Breguet的威望。

其次,所有送去天文台的陀飛輪手錶,都是由表匠親手製造或者來自頗有聲望的公司。再次,只有擁有特殊技能的表匠才能完成陀飛輪的手工製造,且它的製作成功本身就是無可挑剔的精湛技藝的證明。

最後,陀飛輪的卓越性能只有通過天文台的觀測控制才會變得很明顯。而整個過程耗時25天,連續5個測試位置(兩個水平和三個垂直),整個過程都要極為小心。兩個報告之間的觀察時間要剛好為24小時。為了展現位置變換所引起的變化,這是唯一的方法,但它卻和實際生活中的情況大不相同,這種測試方式讓陀飛輪手錶的優勢變得很明顯。陀飛輪手錶內那個「小淘氣」——陀飛輪,它總在改變垂直方向,這使得測試者為了顯示位置不同所做的全部努力都白費了。陀飛輪無法校正位置變化,這在通常測試條件下是測不出來的,但當它被置於振動計上時,其弱點就立馬暴露無疑。

陀飞轮

兩種選擇的比較

為了將兩類手錶做一個有效的比較,應把那些非陀飛輪手錶垂直放在一個旋轉框架之中,框架旋轉速率大約為每分1轉,否則你就乾脆放棄垂直位置的觀察。因為在這些條件之下,優勢都毫無疑問地讓陀飛輪手錶佔盡了。待會我們會解釋為什麼。

對陀飛輪的讚美和欣賞一個讓大象消失的聰明魔術師的性質一樣!我們所想所見僅僅只是一個錯覺。

從懷疑到肯定

第一個與陀飛輪性能相關的疑問很早就被覺察了,但礙於發明者的光環而沒有人說出來。如果陀飛輪的效果可與擺輪遊絲相媲美,那麼其設計難度並沒有看起來的那麼大。陀飛輪的製作量少,從另一個側面暴露出了此系統功效不足。在《法國古董鍾錶愛好者協會》的雜誌第22期中,登載了一份引人注目的研究報告,作者Messrs Droz和Florès做了這些巧妙的評論。而我們只是授權複述。

一個頗具爭議的話題

Claudius Saunier,在《精密計時器》雜誌做編輯60年(1855-1914),他幾乎好像忽視了這個系統。非但鮮有文章專註此系統,反而頁腳處的一段簡潔的文字還差評到:「陀飛輪不好,寶璣都Breguet承認了這個事實…」,那是一個很極端的觀點。在《精密計時器》雜誌中,Benoît的文章《陀飛輪》所呈現的則是現代陀飛輪。而在一篇短小文章內,Maillard Salins,Leroy手錶公司的店鋪經理,也表達出了對陀飛輪和轉盤式陀飛輪體系的功效的巨大懷疑。

《鐘擺,遊絲,音叉》1920年版,作者法國圖盧茲科學院H. Bouasse教授,共11卷,此書提到了:「為了消除擺輪的偏心差,有人想出了一個巧妙的方法來讓它轉動,就這樣誕生了陀飛輪擒縱機構,但是其高昂的價格和不確定的優勢卻讓其降格為一個歷史疑難…. 而經驗最終也告訴我們,這個『完美’系統的運用總與高成本相關。它確實很巧妙,但卻太過複雜。」

另外一些作者,像《瑞士鍾錶》雜誌1905年版第三期中的Marius Favre,分析了一些從天文台得到的結果,他更偏好固定擒縱機構。他的分析特別巧妙。

定義標準

下面的表格展示了706塊天文台表的分別排名,其中有25%裝有陀飛輪,也就是說174塊。而其中,59%處於前列。首先,這些結果都是從有利於陀飛輪的位置分析得到的。然而,與方位有關的,這個最難滿足的標準之一,卻沒有進入陀飛輪評估的考慮範圍,這讓結果很令人失望。而其它標準又會對他們不利,讓陀飛輪無法被系統性地排到前列。按照標準,仔細檢查,證實了這個假說。

陀飞轮

為什麼陀飛輪令人失望?

正如我們所見,陀飛輪沒有起到任何校正作用。它只是阻止了自己的已有錯誤被測出。它甚至沒能做到像鍾內的反衝式擒縱機構那樣,產生能部分抵消第一缺點的反式缺陷。反衝式擒縱機構就可局部校正一根鐘擺的等時性誤差。

陀飛輪實際上是一個附加的機械裝置,非但要消耗能量,還只會引起誤報,所以它就是一個「寄生機械裝置」。陀飛輪所消耗的能量都是為調速器所保存的。結果,缺少能量的擺輪,當然其優勢也會大打折扣。因此,以這兩種方式走時的手錶,不管有沒有陀飛輪,擺輪較小的帶陀飛輪版本,性能總是較差。

能量分配是在擒縱輪旋轉期間實現的,也是在陀飛輪框架旋轉的一瞬間。啟動會消耗大量的能量,然而它幾乎還沒有發動,就突然停在了擒縱輪上,它的齒輪就剛好停在這裏。雖然由框架所獲得的所有能量都被震動所吸收,但卻沒有帶來任何好處。輕巧的擒縱輪會將25%的能量返還給擺輪,但這除了動搖調速系統之外,其他什麼都沒有發生,這就是所謂的「寶璣Breguet的天才發明」。後者只是幸運地沾了別人頭銜的光。

陀飞轮

陀飛輪框架的精緻讓其製作過程變得異常困難。此陀飛輪框架是上世紀末三位最偉大框架工匠之一的作品。他們是來自勒洛克勒的Messrs Albert Pellaton和來自Ponts-de-Martel的Roulet及Grether 。

定時和平衡

陀飛輪框架轉得越快,其運轉就越引人注目,而損失和消耗的能量就越多。如果它轉得稍慢點,它的損害就會小得多,因為消耗的能量較少,且其竄改信息的影響就像它自己一樣——毫無用處。計時器卻總能感到陀飛輪的干擾影響。為什麼他們總要把陀飛輪框架做得像蜘蛛網一樣精細呢?那是為了最大限度地減小慣性矩,且不強加鑒賞家的欽佩。如果不是為了消除總在改變擺輪振幅的不平衡和等時性誤差,他們為什麼總想要平衡塞得滿滿的框架!

其它的不便:讓所有垂直方位一體化,陀飛輪使得計時器在「平懸」(「垂墜」和「表面向上」)位置上運轉更加困難。表款越小,這種感覺會越強烈。所有同樣大小的陀飛輪腕表和傳統腕表相比,陀飛輪走時不如傳統腕表精準。事實上,所有的傳統腕表都裝有一個自由陀飛輪,它們的能量是源自佩戴者而不是發條。當你佩戴時,這些手錶擁有位置變化的無限可能,且測評結果則是一個恆速運動的平均值。

重力抵消

重力是導致手錶誤差率變化的一個主要原因之一。創造了陀飛輪的寶璣Breguet以為自己消除了此影響,其實這是他犯的一個錯誤,他只是成功地掩蓋了這個事實。如果他真是找到了消除重力的方法,他應該會製造出一個媲美擺輪遊絲的改良機械。可惜,在地球上沒有什麼方法可以壓制重力,除非把手錶放在人造衛星內。而自從宇航員也戴上手錶后,這點也已經做到了。然而,好像沒有人想過要拿這些手錶在地球上的誤差率和失重環境下的相比較。因此,我們強烈建議鍾錶工業的人員應該做做這個有趣的實驗。

根據定義的技術參數,在地球上觀察之後,一些不同質量的手錶可以委託給某些宇航員。同樣的觀察也會在失重環境下完成,將兩個結果做比較之後,可以得到一個關於重力影響的有趣評估。

有一點可以非常肯定,那就是失重環境下,手錶的表現更好。所有的平衡誤差都會奇迹般地消失,就像擺輪遊絲的松垂和運動物體的重量引起的摩擦一樣。甚至還可以推斷:1.就算在質量最次的手錶里,日變差會更明顯;2.在失重環境下,他們走時和精密計時器一樣精準。










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