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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，铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的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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