钟表“永动机”——积家空气钟的神秘动力揭秘

钟表最时尚 2024-11-03 02:19:46

人类一直以来都对“恒动机械”充满憧憬,希望能够制造出无需外部动力来源,就可自动恒久运行的装置“永动机”,但从未有过人能真正实现此概念。原因很简单,它违背了能量守恒定律。但在制表界,积家却能制作出与以往任何机械装置相比更接近“永动机”的装置,这就是Atmos空气钟。

1928年,出生于瑞士纳沙泰尔的放射学工程师尚雷恩-路特(Jean-Léon Reutter)设计了一款原型座钟(即现今的Atmos 空气钟),它似乎打破了物理定律,在无需电池、电力或定时机械上链的情况下,能持续运行数百年,而且不会磨损,也不需要进行任何操作。空气钟时至今日仍是制表业内的一个非常神奇的发明,不仅因其神奇巧妙的运行方式,更在于其机械装置所散发的美学魅力。

Atmos空气钟背后的机械原理很简单,实现起来却非常困难——驱动座钟所需的动力,源自日常的温度变化。热能被转化为机械动力,驱动座钟的平衡摆轮运转。Atmos空气钟的奥秘在于内部的密封空间,空间内充满气体并完全密封,通过一层薄膜与驱动游丝相连。细微的温度变化会改变密封空间内的空气体积,令薄膜如手风琴的风箱一样膨胀或收缩,犹如呼吸一样,从而为游丝上链。只需一摄氏度的温差,便足以为座钟提供长达48小时的运行动力。

由于这个精妙的系统只会产生少量动力,Atmos空气钟的机械机心必须尽可能减少能耗。事实上,此座钟的能耗非常低,6,000万个Atmos空气钟所需的能量,才等同于一个15瓦白炽灯所使用的能量。这个机械装置运用摆轮确保走时精准,圆环形金属平衡摆轮由一根纤细的Elinvar含镍合金丝悬垂而下。由于此环形摆轮每分钟来回摆动一次,所以其能耗只有传统腕表的四十分之一。

1930年,即Reutter展示其原型设计的两年后,首批Atmos I空气钟开始发售。然而,这些空气钟仍有不少技术问题,其后的商业化与生产很快就以失败告终。积家的创始人雅克-大卫·勒考特( Jacques-David LeCoultre) 偶然在巴黎的一间精品店看到一个Atmos空气钟,他对其独特的操作方式为之着迷,于是将其买下。他很快就意识到,Reutter的设计理念虽然独特巧妙,但机械装置并不可行,而当中的问题,他认为只有运用高超的制表技术才能得以解决。

勒考特于是联系Reutter,对方随即欣然起程前往Le Sentier(勒桑捷,积家表的总部所在地),并在雅克-大卫.勒考特的带领下埋首制作新的Atmos空气钟。两人目标明确,在继续销售升级版Atmos I空气钟的同时,决心进一步改良座钟的机械装置,并全面推行商业化生产。

他们提出多项重要改良设计,包括提高确保机械机心正常运行所需的气密度、以更为稳定的氯乙烷取代路特所使用的水银、重新设计Atmos空气钟机械装置的主要组件,令其更简单、更坚固、更适合量产。积家最后于1939年制作了符合需求的519型机械机心,并开始着手Atmos II空气钟的商业化。

积家的努力很快便获得成果,Atmos空气钟迅速成为享负盛名的杰作,于1950年获瑞士联邦选定为官方礼品。及至1951年,Atmos空气钟的年产量达到10000个,而在1979年,第500000个Atmos空气钟在勒桑捷的积家表厂诞生。

虽然如此,Atmos空气钟的机械装置还有一项不足之处。由于它只能产生少量动力,因此没有足够动力驱动其他功能。由此可见,积家在1982年推出了一款全新的机械机心——540型机械机心,解决了此问题,能够在几乎不增加能耗的情况下为Atmos空气钟增添额外的功能。表厂的工程师在1990年代末研发了首个月相Atmos空气钟,此后亦为座钟配置其他复杂功能,例如星空图、规范指针钟盘、时间等式显示,甚至推出了采用“remontoir d’égalité”恒定动力游丝或恒定动力机制的“神秘座钟”。

积家表著名的Atmos钟表无需机心上链,也无需电池,它以完全透明的表壳示人,以展示其机心的每一个细节,这座钟的机械装置仿佛悬挂在空气中一般。

空气钟运作的原理,是利用空气温差在机心内部产生动力来驱动走时。机心内部有一个可以存放气体的容器,向密封容器内注入混合氯乙烷气体,这种气体在一定温度范围内对温度变化非常敏感,根据容器外部温度的升降而变化,当温度上升的时候,混合气体会迅速膨胀,温度下降则会收缩。产生气体的膨胀或收缩,从而转化为持续的动力传递给座钟动力存储机构。在摄氏15-30度的温度范围内,只要有1度的温度变化,就能保证时钟产生大约有48小时的能量储备。装有氯乙烷的密封容器跟座钟的动力发条相连,只要有温度变化,它就像手风琴的风箱般膨胀、收缩,从而恒定地为座钟的机心生产动能,钟摆就可以无限运行。空气钟的齿轮系设计更是巧夺天工,完全无需润滑油,避免影响座钟的完美运行。

透过纯净无暇的水晶玻璃,可从各个角度仔细鉴赏积家空气钟机械机心的每一枚零件。

空气钟的擒纵振频一般只有120次每小时,摆轮每分钟只缓慢的转动2次,要比传统时钟慢至少60倍,因此机心的磨损极小,理论上,空气钟的寿命可达数百年以上。而慢摆的手表最低振频都具有18800次/小时,目前常见的手表振频基本都达到了28800次/小时。这种超慢的振频设计,使得空气钟非常节能。

空气钟的运转其实也有依靠弹性势能,不过不是来源于机械能量的转换,而是通过我们上边所说的温度差造成的热胀冷缩,拉伸压缩弹簧,实现热能到弹性势能的转换。热能转化为弹性势能后,后面就简单了,和常见钟表实现擒纵的原理就完全一样了。

从侧面可以看到空气钟充满混合气体的密封容器,它正是空气钟可以利用温差变化替座钟上链的关键机制。

积家Atmos Transparente透明空气钟对于喜欢欣赏机械运行的爱好者来说是一场视觉盛宴。它的极简设计和装饰艺术风格,全部位于钢底座上的玻璃盒中。悬浮在“空中”的空气钟,通过防反射涂层处理的透明水晶玻璃面板,呈现出内部的机械结构,从各个角度都可以清晰地一览无余。钟身内部设有装饰艺术风格的钟盘,搭配设计简约的刻度和指针以及精细打磨的镀铑底座。

1.密封膨胀容器

2.黄铜密封膨胀室背盖

3.马达弹簧(平衡锤)

4.小链条

5.主发条弹簧

6.滑轮

7.小弹簧

8.平衡摆轮

9.恒弹性镍铬钢丝(ELINVAR合金丝)

10.擒纵机构

11.上链弹簧

积家空气钟在使用过程中省心,无需上链或更换电池,但并不意味着它就非常耐操耐用。相反,积家表的空气钟在使用操作和放置环境中有着特别苛刻的要求:

1. 空气钟首先要求绝对水平安放,基座还得一定稳当,所以在钟表底座的前端都带有一个带气泡的水准仪,周围环境亦不可有丝毫的震动。座钟下方有3个支脚,前面2个支脚是可以调整的。放置时需一边观察摆轮前面的气泡水平仪,一边通过调整3个支脚的前2个的高度,务必将气泡仔细地调到水平仪中心。

2. 空气钟绝对不可以让阳光直射,温度不能过高、不能过于潮湿、不能有强风、不能灰尘过大、不能有油烟,不能接触腐蚀性气体或液体等等。

3.空气钟应尽量避免移动。若非要移动,就一定要先将积家空气钟的底座前端“止摆”杆,从左侧扳到右侧锁死摆轮。在运输、移动、清洁擦拭和维修时,务必要先锁摆。

4.空气钟的摆轮比较巨大和沉重,而且只靠一根纤细的恒弹性镍铬钢丝悬吊在空中,而那根细合金丝则是钟走时精度的关键所在。所以,为了保护钟摆和合金丝,空气钟设有两套保护装置,在空气钟的底下有颗螺丝,把它向上拧紧直到触及钟摆的下椎后,还要再多转1/4圈,以确保螺丝尖支撑到钟摆。空气钟底下的螺丝和钟门后面的扳手,在移动空气钟时确保两者都要起到保护作用。而只锁死摆轮,仅限于座钟的小范围移动。

5.如果遇到空气钟的钟摆不摆动,首先要检查空气钟是否水平放置,止摆扳手是否以归位到左侧(摆轮解锁),然后可以用手轻轻转动钟摆半圈,来帮助钟摆启动。纵观所有的积家空气钟,凡是出现故障的,多半是因为不锁摆就移动钟表导致的,如果在搬运时把空气钟横躺或颠倒放置,那后果将是灾难性的。

看完这篇文章后,我们大概了解了积家表空气钟是如何工作的,也知道它并没有悬浮在空中。但如果有机会,我们在未来见到空气钟的实物后,相信仍然会为它巧夺天工的设计而感到震撼。

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