致我们终将克服的引力
  来源:时尚时间  

所有伟大的发明都有一个最初的目的:Jacob Zech 为了提高动力输出的稳定性创造出了芝麻链;航海家们为了保持罗盘的稳定性制作出了万向节;英国人为了确认船只的经度改进了航海钟;宝玑大师为了克服了地球引力发明了陀飞轮……


时至今日,当手表中的技术功能变得越来越复杂时,我们也不要忘记这些复杂功能背后真正的目的。


机械表的克星


机械钟表从最诞生到现在,已经走过了500 年的历程,尽管它的外观、材料和性能都已经发生了天翻地覆的变化,但是对于精确计时的追求却没有任何改变。这也是当代的制表师们不断在技术上进行创新的出发点。

影响钟表的走时精确度的因素有很多,其中最难以抗拒的便是来自我们生存的大环境——地球引力本身的影响。18、19 世纪的制表师们,常常是竭尽所能,将每一只怀表调校至最佳状态,可是在交付给顾客后,实际佩戴的效果却不尽如人意。因为制表师们对怀表的调校是在平放(水平)的状态下完成的,而客人将怀表佩戴在胸前时,是处于竖直状态,擒纵调速结构会受到一个固定向下的来自地球引力的影响,日积月累自然会影响走时。也就是说,制表师无论在工作台前将表调得多准都没有用,只要客人戴上它,精确度就会下降。

为了消除地球引力对怀表走时的影响,制表大师宝玑发明了陀飞轮。它的基本原理并不复杂,就是将擒纵调速机构装在一个框架里,让轮系将动力传输给擒纵调速机构的同时,也驱动整个框架做360°的自转,这样就将向下的地球引力分解到了不同的方向上,力矩和趋于0,从而“中和”掉它的影响。

宝玑大师的陀飞轮无疑是怀表时代最伟大的发明之一。但是请注意,这项发明的伟大之处正是基于怀表的特殊佩戴要求的。换言之,只有当表是处于竖直或者其他稳定的位置状态时,360°旋转的陀飞轮才能最大限度地“中和”掉地球引力。而现代手表都是佩戴在手腕上,陀飞轮与地面的方向关系会随着手臂的运动而不断变化,所以陀飞轮也就无法将来自不同方向的力矩完全“中和”。从这个角度看,现代的陀飞轮手表的象征意义远大于其实际意义,它的技术和工艺难度和过去相比也打了一个折扣。而近年来涌现的倾斜式陀飞轮和多轴式陀飞轮表,虽然旋转的方位更全面,但是它的原理和陀飞轮是相同的,对于因手腕的无规律运动造成的力矩偏差仍旧无能为力。

那么,手表在地球引力面前真的束手无策了吗?对此我们的回答是“未必”。因为在钟表界,确实存在着那么一项发明(或者说装置),能够完全屏蔽掉地球引力对钟表走时的影响,它就是船钟上使用的自动平衡装置。该装置的前身为传奇航海仪器——卡丹式悬架(Cardan's suspension,以16 世纪的数学家吉罗拉姆·卡丹的名字命名)。据说其制作灵感来自为查理五世特制的一顶轿子,它可以巧妙地抵消地面的坡度,以确保这位君主的座椅保持水平和稳定。


视大海如坦途



ZERO-G 零重力系统

X 轴固定在机心夹板上,在它的轴向上,整个零重力系统可以进行旋转;

Y 轴比X 轴更往里一层,与X 轴垂直,并与零重力框架相连,在它的轴向上,内部的擒纵调速机构可以进行旋转;

Z 点是传动齿轮,它通过一个立轮与机心的轮系相连,接受来自发条的动力,再通过伞形齿轮组将动力传输到O 点;

O 点接受来自Z 点的动力,再将动力传输给系统核心位置的秒轮和擒纵系统;代表零重力系统里动力传输的方向,其中最关键的就是伞形齿轮组,它可以在传输动力的同时随系统一同旋转;代表与传动齿轮组重叠的换向差动齿轮组,它的一端(Z端的内侧齿轮)是不可旋转的,另外两个齿轮可旋转,当手腕运动时,传动齿轮组会产生不受控制的力,从而影响正常的旋转,而差动齿轮可以补偿掉这种不受控制的力。

众所周知,悬挂起来的物体,由于受到自身重力的作用,会一直垂向地面,即便我们去晃动它,它最终还是会回到重心朝下的方位,并且保持平衡。而卡丹式悬架也是基于同样的原理,只不过在“悬挂”的基础上还加入了一个可以自动找平衡和调节方向的“万向节”支架(因为你不可能将钟挂在空中),使悬架上的物体即使在波涛汹涌的大海上也能保持稳平。

卡丹式悬架在最初的时候是用来放置航海用罗盘的,后来,随着比罗盘更为娇贵的航海钟的出现,卡丹式悬架的用途得到了拓展,它的结构也被一步步改进,缩小,成为了可以盒装的万向节支架(这里所说的万向节就是指钟表领域的自动平衡装置或重力控制系统)。

万向节的种类虽然很多,但是基本结构大同小异,即通过两个(通常为相互垂直)的轴,让支架上的物品可以沿着这两个轴自由地起伏,再通过支架下方的配重自动找平衡,如同机械版的不倒翁。需要强调的是,万向节的起伏和旋转不是轨道式的,正如我们把一个物体悬挂在空中,它的四周没有轨道,而是在三维空间中自动找平衡。通过近些年面世的一些复刻版航海钟,我们便可窥得万向节的奥妙。

另外,也有人为了便于理解将万向节翻译成陀螺仪,事实上这两种装置的原理不尽相同,陀螺仪是依靠自身旋转实现平衡,就像《盗梦空间》里男主角的护身符;而万向节则是通过两个轴和配重来找平衡。

想必有些读者已经注意到了,这种航海用的平衡调节装置不但可以应付波涛汹涌的大海,同时也能克服地球引力。只要将表放在万向节装置中,它就可以一直保持水平,不受引力的影响,如同刚调校完的怀表,这不正是18、19世纪的制表师们所追求的理想状态嘛。在进入到手表时代之后,有制表师提出假设:能不能将万向节支架移植到手表的机心里呢?其中就包括制表界的鬼才Giulio Papi,他甚至还申请过相关的专利。不过直到2008 年,真力时革命性的ZERO-G(零重力系统或者重力控制系统)问世之前,都没人能将这个假设转化为实物。



两仪生万向

从纯技术的角度,为航海钟加装万向节很容易,但是移植到手表上却很难。因为前者是将钟或者表整个装在万向节支架里,而不需要和外界保持动力传输关系。但是手表就不能这么安置,否则就无法佩戴了,所以只能在机心内部做出一个万向节,将擒纵调速机构装在里面,使它保持水平,克服地球引力。

但问题是,擒纵调速机构在自动找平衡的同时,还得要和外部维持动力传输关系,也就是说要通过齿轮组与外部相连。根据常识,任何齿轮组都不可能在起伏不定和不断变化的方向上连接,更别提传输动力了。那么真力时的ZERO-G 零重力系统又是如何做到的呢?让我们借助图片,对这个由真力时机心研发总监Yves Corthesy 先生历时5 年打造的神奇装置做一番深入的了解。

首先,我们在哥伦布重力控制系统上标出X、Y、Z、O 四个点。X 和Y 就是前文中所说的万向节的两个轴。这两个轴都是可以自由旋转的,但是它们的级别不一样。X 轴固定在机心夹板上,在它的轴向上,整个零重力系统可以进行旋转;而Y 轴则是往里面一层,它与X轴垂直,并与零重力框架相连,在它的轴向上,内部的擒纵调速机构可以进行旋转。试想,如果X 和Y 都是与夹板相连,那么零重力系统就被固定死了,既无法沿X 轴也无法沿Y 轴旋转,更谈不上自动找平衡,而一里一外两层的设计则使得它们在各自的轴向上不受任何约束的旋转,不管手腕如何摆动,擒纵调速机构将永久保持在水平位置上。

接下来要介绍的Z 点在零重力系统中扮演了重要的角色。我们可以看到,位于Z 点的齿轮,通过一个立轮与机心的轮系相连,也就是说动力是从这个点输入的。但是需要特别注意的是,Z 点并不是一个轴,而是传动齿轮。它本身不能随意旋转,零重力框架以及擒纵调速机构更不可能绕着它旋转。

我们从图中看到Z 点的内侧齿轮仿佛紧挨着擒纵装置,事实上它们是井水不犯河水,当手表处于其他角度时,Z 与擒纵机构以及整个零重力框架可以完全不在一个水平面上,因为Z 是完全固定的,而框架和擒纵部分都可以自由旋转。因此,动力并不是沿着Z 的垂直方向直接输入给擒纵调速机构的,而是通过一个由3 个伞形齿轮组成的曲面轮系先传输到O 点,再由O 点的齿轮传输给位于系统核心位置的秒轮和擒纵系统。这种轮系结构绝不会影响到零重力框架以及擒纵调速机构的旋转,同时还能完成动力的传输。

在重力控制系统的下方还安装有一个黄铜材质的配重块,它的质量大概为整个系统的65%。之所以要加装这个配重块,是因为在系统转动的时候,如果没有一个质量相对较大的物体吊在下面,整个系统就会一直转不停,也就无法达到保持水平的目的。这个配重块,是在考虑了整个系统的运作以及手表的总重量之后计算出的质量比,在手腕活动的时候,它能够有效地阻止系统连续转动,并让它快速回到平衡位。如此精妙且超乎想象的设计,尽管我已经看过了实物却对着图片研究了几天,仍旧有一种难以置信的感觉。



真力时尊贵系列哥伦布飓风手表机心中的芝麻链和宝塔轮,随着机心的运行,动力储存下降时,
缠绕于宝塔轮上的芝麻链会由于转动半径的降低,而加大释放的扭力,维持整体动力传输的稳定性。


翻滚吧,重力系统

我在采访Yves Corthesy 先生时,曾向他询问,在研发哥伦布机心的过程中遇到的最大挑战是什么?他说最大的挑战就是如何将航海钟的灵感真正在一款手表中实现。行文至此,看似整个研发工作已经大功告成,零重力系统可以保持平衡,动力也可以传输给擒纵调速机构,但事实上,到这个地步还不算是真正实现了Yves Corthesy 先生的目标,因为手表还不能正常运行。原因就在于,零重力系统在自动找平衡的过程中,会对负责传动的3 个伞形轮施加一个外力,这个外力会影响到动力的持续传输。

读者可以想象一下,三个相互啮合的齿轮,如果它们的齿轮轴都是固定的,那么其中一个齿轮自转,必然会带动另外两个齿轮自转,从而将动力从一端传输至另一端,这就是普通机械表中轮系结构的运行原理。但是,如果三个齿轮中,有一端齿轮的轮轴固定,而另一端是可以活动的,那么当第一个齿轮自转时,后面的齿轮就不会老老实实地自转,而是会产生不受控制的相对运动或者是旋转,破坏动力的稳定传输。

而真力时哥伦布手表中的零重力系统,就是通过一个由3 个伞形齿轮组成的轮系,将动力从Z 端传输至O 端,再传输给中间的秒轮和擒纵调速机构。在这个动力传输的过程中,Z 端的齿轮位置是固定的,而0 端的齿轮位置是不固定的,一旦手腕运动,零重力系统就会快速调整方向,从而出现我们在前一段中举例的现象:0 点的齿轮会在相对运动的过程中,对整个轮系产生一个破坏性的反作用力,阻碍齿轮的匀速运转和动力的稳定传输,这才是零重力系统研发过程中所面临的最大挑战。

为此,真力时的解决方案是,发明一种全新的换向差动齿轮(The Reverser Differential Gear)系统。从图中可以看到,连接Z 端和O端的伞形齿轮并不是单排的,而是内外两层,上下重叠(这显然不符合常理),总共6个伞形齿轮。

其中外层的3 个伞形齿轮是负责传动的,内层的3 个伞形齿轮属于换向差动齿轮,它们存在的意义就是为了消除系统在运动时产生的反作用力,用钟表专用术语来讲就是“补偿”。它们与外层的三个伞形齿轮同轴,但旋转方向相反,当手腕静止时,它们也是静止的,当手腕快速移动时,传动齿轮组可能会突然加、减速,此时,差动齿轮组就会产生与之相反的力,补偿掉传动齿轮的加减速效果,那么剩下的就是正常而稳定的动力输出。这也就是为什么真力时会为零重力系统申请两项专利,一项是ZERO-G 重力控制系统,另一项是换向差动齿轮装置。



精准三部曲

零重力系统在最初问世时,被用于打造真力时的零重力陀飞轮表。正如我们在文章一开始所描述的,陀飞轮虽然精密,但它未必是实现手表精准走时的最佳选择,况且它的功效与零重力系统出现了重叠。

2011 年,真力时通过对零重力系统的进一步研发,制造出了一款全新的作品,并以克里斯托弗• 哥伦布Christopher Columbus 的名字命名。此举并非随性而为,而是因为这款超复杂手表的研发,从本质上解决了当年困扰着航海家而今天仍困扰着钟表业的一个关键问题,即如何在运动状态下实现精确计时的问题。这款哥伦布手表完全克服了地球引力和因手腕运动带来的干扰,不仅在计时的精确性上超越了陀飞轮,同时在制作工艺以及观赏性、把玩性方面也全面胜出。

当被问及零重力陀飞轮装置,哪个在制作和组装过程中花费的精力更多时,Yves Corthesy 毫不犹豫地表示是前者。“为了打造伞形、差动齿轮以及组成这个球体的175个零件,真力时开发出了60 种新的工具,若没有一套综合性制造工艺,就无法令这项卓越的技术成就成为现实。”

真力时尊享系列哥伦布手表是为精准而生,在品牌经典的El Primero 机心的基础上研发而成,保持了36000 次/ 小时的高摆频。其首款作品一经问世,便获得了行业内的一致赞誉,并击败了众多的竞争者,荣获2011 年度日内瓦高级钟表大赏(GHPG)最佳复杂功能表的奖项。要知道,这一届GPHG 的评审制度已然经过了改革,那些过于商业化或是“玩票”性质的产品纷纷落选,最终胜出的无一不是在技术方面有实质性革新并且兼具购买和收藏价值的作品。

去年,真力时推出了尊贵系列哥伦布查尔斯• 佛雷克纪念款,向这位在品牌的发展史上做出过杰出贡献的制表大师致敬。它采用镂空工艺打造,令手表显得更加精密复杂,也衬托出手表“心脏”地带奇幻的零重力装置。

今年,真力时又再接再厉,以芝麻链传动系统为哥伦布手表完成了升级,令精准性再进一步。芝麻链(FUSEE-CHAIN) 是17、18 世纪怀表中的“标配”,但应用在手表中却凤毛麟角。当机心的动力储存下降时,缠绕于宝塔轮上的芝麻链会由于转动半径的降低,而加大释放的扭力,维持整体动力传输的稳定性。全新的尊贵系列哥伦布飓风手表,以高摆频将时间分割为更加精细的区段,以重力控制系统消除影响走时精度的地心引力,并以芝麻链传动装置消除等时性差距,三者合一,让手表的精准度达到了极致。芝麻链含585 个零件(其抗拉强度可达3 公斤以),重力控制系统含173 个零件,机心含354 个零件,换言之,这款手表的机心是由总共1112 枚零件组装而成,堪称近代复杂功能手表之最。

真力时哥伦布融合大胆创意、独特设计和赏心悦目三项特质,不仅缔造了前所未见的精准度,也为观者提供无时无刻的视觉享受。

新款尊贵系列哥伦比飓风手表由18K 红金打造而成,直径45 毫米,厚度14,35 毫米;多层次表盘同样采用18K金材质,经手工饰以扭索纹并配备蓝钢指针。在一体成型的蓝宝石表镜下,芝麻链传动系统体现巧夺天工的机械工艺,展示芝麻链如何在发条盒和宝塔轮上环绕转动。位于6 点钟位置的零重力框架由173 个零件组成,轻盈灵动,令人目眩神迷。保护罩的拱形结构与位于12 点位置的时分镂空表盘互相呼应。金质小秒钟计时器和动力储存显示器饰以手工格纹,两者皆呈平衡协调的浑圆造型。在零重力装置配重的部位,以镭射激光在蓝宝石镜面上雕刻的世界地图,向哥伦布的冒险精神致上崇高敬意。

 
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