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擒纵系统:擒纵了人类,擒纵了历史

2013-12-09  木立


我所最喜欢的,就是这种探讨技术与道理杂糅在一起的问题。

我一直有一个妄想,就是用纯文字把技术问题说清楚。我知道着很难,然而,脱离了图纸,更容易解释技术背后的思想。

这次我要试试,不上图纸。


(此图是镇楼用的,不算图纸)

乱七八糟的前期铺垫

关于时间,我们曾经有过很多的记录办法。比如:日晷、铜滴漏壶、燃香、机械钟、怀表手表。然后,还有石英钟和原子钟。

前面的一堆都是基于天文时间。也就是把地球自转、公转等运动看做严丝合缝的规律运动,以此为基准来制定时间。后面则是基于物理时间,根据分子震荡、元素衰变等物理性质,以此来制定时间。

事实上,天体运动在某种程度上是在缓慢变化的,以此制定时间必然有误差。更荒谬的是,地球年与太阳年就有区别。比如,原始定义的一秒钟,可以是地球自转一周圈所用的时间的

多少分之一,或者是地球公转一周圈所用时间的多少分之一。这个必然有误差,要不,闰年是怎么来的?

相较而下,以物理特性来制定时间标准就准确得多。因此,时间标准也就随着科技手段的提高,从太阳标准变为了基本物理量标准:一秒是绝对零度下,在零磁场的环境中,133原子基态的两个超精细能阶跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。

然而,如果细追究的话,比如你搞到了相对论或者量子力学的领域,连时间本身的性质都有了变化。这实在太博大了,远远超过了础润斋全斋的智商总和,搞不掂。

好,咱们就只在经典物理的范畴内探讨时间。不对,应该说,咱只在天文时间下讨论钟表。

 

如果按天文时间的话,日晷应该是最精确的计时工具,如果你能够把晷针做得足够细,把晷盘刻画得足够均匀的话。当然这在古代当然是不可能的事情,事实上,绝对等分是完全不可能达到的事情,就像误差永远不可能消除一样。你别挣扎了,这是物理学的基本原则。

日晷是根据日影来反映地球自转,这是与时间定义最接近的一种测量办法。路径最短,所以理论上最精确。

但是,日晷也只能在太阳在天上的时候用用,落了山,只好用燃香的办法来了。焚膏继晷!这简直是最不精确的方式,一根香做得密度、燃料分布不同,就能导致燃烧忽快忽慢。

除了应用天文原理的,还有应用流体力学计时的,铜漏滴壶、沙漏等;还有应用机械传动计时的。

流体力学计时也不靠谱。水满与否,误差很大。不得不应用多级滴漏的方式来缩小这个误差,所以一整套同滴漏壶摆在那里,占地面积很大,很唬人。西洋的沙漏也很有情趣。

如今探讨机械传动计时.这是真正能实现移动持续计时的方式。

 

首先,你要给我一个动力

我们知道,机械钟表是用发条的弹性势能作为动力的。发条从紧到松,是释放能量的过程。这个释放速度是不均匀的,画出来时一条曲线而非直线。

机械钟表,其计时原理就是,把弹性势能最足的时候记录为起点,弹性势能最小的时候记录为终点,把这其中的时间等分。因此,必须要求释放能量的过程均匀,也就是当弹性势能转化为动能的时候,把动力等分释放。

其实,这里机械的动力也不一定要求由发条提供。你用水力、风力、哪怕是蒸汽机的飞轮,都可以用作动力。只不过,你就需要更强大的擒纵系统、等时系统和制造材料了。相比较,还是用发条吧。


机械世界中的等时性:单摆与表摆

单摆很有名,据说是伽利略发现了它的摆动等时性。它由一个摆、重锤组成,基于重力势能与动能的相互转化,在摆角比较小的范围内,可以近似看做是简谐运动。这个发现让人类在陆地上 建造出了高大的钟楼,城镇生活从此纳入了时间轨道。然而,地球除了陆地还有海洋,在颠簸的船上,单摆可就傻了,必然要有一种新的摆动形式。

经纬线像一张大网,把地球包括其中。它的出现,使得人类第一次有了一个准确标准的定位系统。纬度是根据星辰与太阳等天体测量出来的。经度可不行,必须根据天体测出当地的时间,在于格林威治标准时间做对比,推测算出。

这就需要船上有一个准确地钟表,忠实记录格林威治时间。

这里必须要求是表摆系统。为什么?

两个原因:1、单摆是根据重力的,需要稳定。船上太动荡,完全没法用单摆。2、更重要的是单摆周期是由摆长、当地重力加速度决定的。不同纬度的重力加速度不同,大航海不可能沿着纬线走,所以从理论上限制了单摆钟表在航海上的应用。

所幸,发条的出现,帮我们解决了这一问题。发条有两类,一种是驱动发条,拧紧了慢慢放松。第二种是平衡发条,也叫游丝。它像弹簧一样,有一个平衡态,左转是紧,右转是松。一紧一松,根据胡克定律,进行弹性势能与动能的转化,也是近似的简谐运动。画出来也是一条正弦线。

表摆就是基于这种原理制造出来的系统,一个环形游丝,为了增大惯性,再配一个摆轮。它是根据弹簧特性,理论上不受重力加速度的影响,所以可以任意移动,甚至可以随便转动。这样,钟表就不必傻乎乎地呆在一个地方了,它可以放在船上,揣在怀里,戴在手上。

当然,世界并不那么完美,任意转动还是会对精确性有一定影响,所以基于陀螺仪原理的陀飞轮表出现了,这个以后再讲。

总之,单摆和表摆两个系统提供了等时性。然而由于讨厌的摩擦力的存在,它们动着动着就会停下来,嗯,这个才是最讨厌的。


擒纵系统与差速器

首先讲讲,什么是擒纵系统。

好吧,我们拥有了摆动系统和发条:一个是有固定周期但是需要外部供能的系统,一个是不规则释放能量的系统。如果两者能结合起来,就可以精确记录时间了。正好,擒纵系统就是这一完美联姻的执行者。

狭义上的擒纵系统就是一个棘轮和擒纵叉。棘轮被发条所驱动,有动力地单向转动;擒纵叉与表摆或单摆连接,有规律地左右摆动。当擒纵叉反向摆动的时候,叉子正好碰上棘轮的棘突,把运转的棘轮给“擒”住了,不再转动。当擒纵叉正向摆动的时候,叉子又离开棘轮的棘突,把棘轮给“纵”走了,继续转动。

这一擒一纵,棘轮就一停一走。由于摆的简谐运动,棘轮不得不按照摆的步调一走一停,发条的弹性势能也按照摆的步调有规则地释放。擒纵系统的关键就是动力等分,这就叫动力等分。

我们就可以利用者等分的动力去驱动齿轮组,秒针、分针、时针于是被精确地驱动起来了。

更有趣的是擒纵系统获取能量的方式。在擒纵叉正向摆动的时候,棘轮一推,摆系统就获得了能量。就像你小时候打秋千,每次经过地面的时候你爸爸都推你一把似的。设计思路非常精巧。

所有的控制系统都是占据着传递渠道来实现控制的。

不过,我还要讲一讲这个传递系。指针系统是发条释放能量的目标趋向物,按照发条—擒纵系统—齿轮组—指针系统这一传递过程来讲,表摆作为控制者,是此流程中的一个关键中间环节,理应居于系统的中间位置。然而,表摆在形态上却是一个末端。怎么实现的呢?它不是把动力一份一份地传递下去,而是高居系统形态的末端,让整个系统向它供能,它自顾自地摆动,迫使整个系统随着它的步调运转。

所以说,占据传递渠道并不意味着必须在中间当苦力。能够把持整个系统的步调才是王道。

说到这里,我很想为发条鸣不平。擒纵系统和摆动系统是一整套控制系统。事实上,你整个控制系统的生命力都是人家动力部提供的,却还要控制动力部的步调。正所谓吃着人家的粮,玩着人家的娘,狗日的!

擒纵系统与差速器在功能上很有关联性。首先,都是动力的传动机构;其次,都是动力的分配机构,一个负责动力等分,一个负责动力不等分。差速器的重要性已经在《车同轨、合辙押与车轮的制造》一文中讲过,它通过“这边走不通就走这边”的游击思想,把人类带入了机器做动力,以轴驱轮的高速移动时代。擒纵系统没有差速器那么庞大的动力,只是利用发条微弱的弹性势能,小强度快节奏地一擒一纵。

不过别小看这一擒一纵,它把整个人类历史都擒纵自如,玩弄于股掌之间。

 

人类是被时间任意擒纵的俘虏

其实任意一种东西的出现,都有其技术基础与社会基础。而这两者通常都混在一起,难以明分。钟表也不例外。

钟表的出现,一个是因为交通的需求,一个是生活的需求,还有天文测量的需求。

首先,天文学家在观测天象,绘制星表的时候,需要知道两次天象发生间隔的准确时间。所以,出现了大摆长、大重锤的精密单摆式座钟。好吧,这里说座钟实际上是委屈它了,英国天文学家弗拉姆斯蒂德拥有一台钟,摆长长达4米。这不得不建造一座钟楼来容纳它的超大体量。

钟表的出现还有另一条路子,比如说修道院需要钟声来提醒修士们做祷告。那个时候没必要划分出精确的小时与分钟,只需要在一天中的特定几个时段响几下就行。比如:7世纪,教皇下令隐修院的钟每24小时要敲响7次。

由于大航海时代的到来,测定经度需要有一个随船的精密航海钟。所以,表摆应运而生。在表摆式钟表出现以后,由于单摆钟的可靠性与精密性,表摆一时间还无法取代。因为单摆钟可以靠加长摆长,增大重锤来提高精密性,节快慢也很方便,调整重锤配重钮就可以了。而表摆则受制于游丝的工艺。依靠材料总归不如直接依靠物理定律更可靠。

然而,随着火车的出现,一切都变了。由于轨道使用的唯一性,所有在轨道上跑的列车都要严格按照运行图运行。所以,交通不再是一种可松可紧的自由行,制定铁路标准时势在必行。更加精密的怀表与腰表出现了,并配发各个工人:站长、司机、道岔工等。在那个年代,铁路钟就是准时的代名词。

后来打起仗来,指挥官们发现把表绑在手腕上比揣在怀里更方便。绅士们的怀表从此成了怀旧物。

当能够明确计时的工具出现之后,时间就成了全社会运转的标准。以前,我们要吃饭是因为饿了,要睡觉是因为困了,要喝酒是因为兴之所至,要约会是因为月上梢头。

然而,擒纵系统成熟之后,一切的动因都变成了:时间到了。

我们发明出来的车轮在转动,我们可以坐在移动的车轮之上的车厢里。我们发明出来的钟表在转动,可我们只能做转动秒针威压下得奴隶。这真是一件悲凉的事情,尤其对于我这种爱迟到的懒汉来说。


其他的东西

擒纵叉与棘轮不住地摩擦,所以擒纵叉的叉口,要用宝石。表摆的轴承、单摆的刀口,都是运动大户,为了耐用,也要用宝石做成。所以,机械手表都被称为多少钻多少钻。

哦哦,由于我的失误,这里应该还必须提到另一个擒纵系统——蚱蜢擒纵系统。这实在是太美妙了,没有应用到游丝、单摆,单纯只是几根杠杆,几个重锤。组成一个蚱蜢的样子,有两条腿。这两条腿交替对转动的棘轮一擒一纵,这个系统里没有多余的控制者,算是借力打力,使之相制衡。

发明这个擒纵系统的是英国人约翰·哈里森,这个发明早于同轴擒纵系统,它在无法制造出发条和游丝的年代,率先摆脱了单摆的限制。事实上,航海时代用的第一代航海钟,就是蚱蜢擒纵系统的。

(应该还有一些,没空了,以后再补充)

础巳杂辑,我的定位一直是“有五谷味道”。这一篇少,下一篇将更出格,连技术都抛却了,单谈了一通道理。方形,这个趋势不会任由它发展下去的。

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