（上）期没有电池，机械表如何准确走时？（上）我们介绍了机械表中提供动力的发条、将发条盒转速减慢的齿轮、控制转速的擒纵机构和提供准确走时频率的摆轮组，（中）期没有电池，机械表如何准确走时？（中）我们介绍了固定零件用的夹板、防止发条反转的棘爪、将秒针的转动传动到分针时针的齿轮和计日功能。但还留下了个大问题 —— 如何在不打开表壳的情况下上发条和设置日期时间？本期我们从转柄开始来解决这个问题。
转柄机构
首先，让我们看看表冠（转柄头）和连在下面的杆子，这个表冠是操作机械表的主要接口。
表冠装在表壳外部，并且直接与用户接触。柄杆有一个方形截面，它上面装有两个零件 —— 立轮和离合轮：
立轮有一个圆形孔，所以它可以轻松地在柄杆上转动。而离合轮的方形孔正贴合柄杆的方形结构，这使得它只能随表冠一起转动：
让我们把这些零件装起来。我暂时隐藏了日期环，防止它挡住我们的视线：
注意看表的背面，立轮啮合上了冠状齿轮。为了能够转动立轮，我们得先让离合轮紧紧地推着它 —— 下图我用蓝色箭头标注这个推力。立轮和离合轮相邻面的形状是贴合的，如果我们现在转动表冠，它们就会互相锁紧。最终，我们可以通过顺时针转动表冠来转动冠状齿轮，并带动上发条机构的其余零件。
而如果我们逆时针反向转动表冠，立轮和冠状齿轮就会被棘爪卡住，离合轮就会沿着相邻面的形状被推开。这个安全机制保证了即使表冠被扭错方向，也不会损坏机芯。
看起来我们已经通过转动表冠实现了上发条的目标。但还有一个待解决的小问题 —— 我们需要一个能把离合轮推向立轮的外力。
而且，在某些时候我们还想通过转动表冠实现别的目的。除了上发条，我们还要能独立地调整日期和时间。我们将通过把表冠推拉到不同位置来切换这三种功能。让我们来建造这样一个切换装置。首先，安装校准杆和设置杆：
现在，如果我们把表冠拉出或者推进去，这两个杆将绕着它们的支点转起来，并且会以极其复杂的方式互相带动对方：
如果带着其他零件一起显示，我们会很难看出它们到底是怎么工作的，所以让我们把无关零件隐藏掉。注意观察推拉表冠时两个杆是如何互锁的：
柄杆里的一个凹槽锁着设置杆上的小杆，使得推拉表冠可以带动设置杆。它上边的另一个小杆也会推动并钩住校准杆，这样表冠也一起带动校准杆。
目前来看这个机构还没有起到什么作用，我们得再把设置轮加到校准杆上边的小杆子上：
设置轮可以在杆子上自由地转动。如果现在拉出表冠，我们可以看到设置轮会啮合上分针轮：
通过转动设置轮，我们可以设置机械表的时间，但为了转动这个轮子，我们得滑动离合轮使它推着设置轮，这样，对表冠的转动才会通过离合轮传动到设置轮上：
这就提出了一个挑战 —— 我们需要根据不同的工作模式改变离合轮的位置，让它在上发条时啮合立轮，而在设置时间时啮合设置轮。这就要请出离合杆了：
在下面的特写图中，你可以看到离合杆刚好贴合离合轮上的凹槽，所以当离合杆绕着它的支点转动时，会向内或外给离合轮一个推力，使它滑起来。至于离合杆是怎么被带动的，那是因为当我们拉表冠时设置杆会推动它。
我们就快完成这个小小的转柄机构了，只是还差三个小细节。首先，我们得把这些零部件固定好 —— 现在还没有东西能防止它们从精心安排好的位置脱落。第二，拉出表冠时，没有一个专门的卡扣固定它 —— 转动表冠时我们可能不自觉地推动它从而改变工作模式。最后，当我们把表冠完全推进去以切换回上发条模式时，我们想让离合杆可靠地回到它的初始位置。这就得请出设置定位杆了，它能实现这三个目标：
这个定位杆被螺丝锁在主夹板上，从而防止其他零部件脱落。它的各种“臂部”和“腿部”也能把零部件压住。让我们再看看设置定位杆如何解决另两个问题，注意我用灰色箭头指出来的三个小凹槽：
当我们推拉表冠，设置杆上的小杆会扣入这三个凹槽之一。为了跳到不同的凹槽，这个小杆必须弯曲定位杆的长臂，这就产生了把小杆推入最近凹槽的张力。最终，我们得到了三个位置，这些位置能让所有的零部件受力平衡 —— 一旦被锁住，我们就不用担心转动表冠时不小心切换了工作模式。
关于设置定位杆，最后还要说明一点，在它的另一端有一小部分紧绷在离合杆上，我用灰色箭头指出了它的位置：
当离合杆转动时，这个金属的弹片很容易把离合杆转回去。当表冠处于设置日期或时间模式时，设置杆会阻碍离合杆弹回去，但一旦我们回到上发条模式，这个定位杆的弹片会使离合杆转回去，从而也把离合轮滑回去。
实际上，这里还有一个令人拍案叫绝的设计，但在平面视角下它被藏起来了。如果你记性不错，在中期没有电池，机械表如何准确走时？（中）介绍棘爪那一章节的开头，我们在安装发条盒上夹板之前还往主夹板上装了一个小杠杆，然后才继续讲如何用棘爪防止发条反转。
这个小杠杆短的一端贴合离合轮的凹槽，当我们拉出表冠，带动离合轮时，小杠杆就会转动：
当杠杆转到底，它会与摆轮摩擦，使其无法移动 —— 这能让表停下来。结果就是，当我们把表冠拉到底，进入时间设置模式时，这个止动杆会阻碍摆轮摆动，使表停下来，在英文中有个词“hacking”专门描述这一动作。于是，在我们设置时间时，秒针不会同时自行转动，这有助于提高校准时间的精度。
让我们把所有零部件装好，再一次看看整个转柄机构是如何工作的。当表冠被完全推进去时，它的转动会带动离合轮，再带动立轮，再带动冠状齿轮，再带动棘轮并上好发条：
当表冠被完全拉出时，它的转动会带动离合轮，设置轮，分针轮，时针轮，和藏在时针轮里面的轮管。（温习一下，轮管能让我们设置时间，而不会被防止发条反转的棘爪卡住）
最后，当表冠被推到中间位置时，我们会进入日期设置模式。但为了完成这一目标，我们仍需要额外加上一个换日轮，让我们把它装在主夹板的小凹槽里：
注意，换日轮可以在凹槽上下滑动。如果把表冠拉到中间位置并转动它，我们就能转动换日轮，而它就能钩住日期环内部的齿。日期定位杆簧则能保证我们能把日期环锁定在有效的位置上：
我个人认为，这整个转柄机构简直是机械奇迹。这些错综复杂相互协作的部件被极其有条理地安排妥当，而每个部件又能承担多种角色。老式怀表是用一个单独的按键来上发条的，它的表冠仅仅用来设置时间，但现代表摆脱了上发条按键，所以这整个机构又叫无键机构（keyless works）。仅仅只用一些形状被精心设计的零部件和一个表冠，我们就能控制表的不同设置功能。在继续下一章节前，让我们装上分针系上夹板来保护剩余的零部件：
我们快完成手表机芯的制造了。最后一个要装上去的部件能让手表在我们散步时自动上发条。
自动上条机构
当一个人戴着手表移动手臂时，手表在这一天的空间朝向会不停地发生变化。即使是在散步时，手表相对地面也在轻微地摆动。通常来说，所有用来移动表的能量都被浪费了，但自动上条机构会设法捕捉一部分能量来上紧主发条。
要想理解它的工作原理，我们得先把整个自动上条机构装到手表上。它的主要部分是一个可以绕着中心自由转动的配重。当配重转起来时，它会带动一系列齿轮，最后一个齿轮与棘轮啮合，从而上紧发条盒内的发条：
配重可以自由转动，这是很重要的一点。在下图中，我将转动手表的空间朝向，而重力总会把配重拖到下面，这就使得配重相对手表的其余部件转起来：
回忆我们在中期讨论过的上发条机构，你也许还记得棘轮只能朝一个方向转，因为棘爪要防止主发条自发地反转。然而，配重可以前后摆动，这通常意味着任何连接它的齿轮传动系统也会朝两个方向转动。
但是，如果你回过来看看自动上条机构，你会发现有些特殊的地方 —— 前后转动配重，输出齿轮只会朝一个方向转动。我在齿轮上放了一个小黑点，这样你能看得更清楚：
为了理解究竟发生了什么，让我们先看看这个机构所涉及的所有零部件：
当配重转动时，附在配重底部的绿色齿轮会带动两个蓝色齿轮。这个部件的大部分和我们之前见过的被夹板固定的齿轮组很像。不过，你可能已经猜到了，这个单向传动的秘密就藏在黄蓝齿轮的双重组合。让我们看看它们是怎么组合的：
蓝色齿轮可以在黄色齿轮上自由转动，而鱼状杆也能绕着蓝色齿轮里的空洞转动。注意看，黄色齿轮的内部有一个特殊的形状。下图我去掉了蓝色齿轮中央的部分，让你们能看到里面发生了什么。
当你逆时针转动蓝色齿轮，鱼状杆只是滑过黄色齿轮的内部。而当你顺时针转动蓝色齿轮，其中一个鱼状杆就会卡住黄色齿轮并带动它。这个绝妙的机构将蓝色齿轮的动力单向传递给了黄色齿轮。
自动上条机构有两个这样的齿轮 —— 一个会在顺时针转动时驱动输出轮，另一个会在逆时针转动时驱动输出轮。在下图中，你可以看到当你转动附在配重上的齿轮时会发生什么。为了让你看得更清楚，我去掉了无关的部件：
注意观察我高亮的一对黄蓝齿轮，那一对才是真正直接地从配重齿轮接收动力，并传递给输出齿轮。同一时间，只有一对这样的齿轮被“激活”—— 另一对要么在空转，要么作为中介改变转动方向，以确保输出齿轮总是在以正确的方向上发条。
相对于附在配重上的齿轮，输出齿轮转得很慢，所以完全上好发条需要大量的手臂摆动。不过，在一天的时间里，自动上条机构通常能保证发条有足够的能量。
机械表的真实尺寸
在目前为止所有的图例中，我们都把零部件放大了很多倍以便于观察，但在下面的最后一张图中，你最终会发现所有的零部件其实很小。
机械表周围圆角矩形代表一个信用卡的大小 —— 如果你手边有一张，你可以把它放在屏幕上对照。希望这样做能让你认识到我们所介绍的零部件的真实尺寸有多小。
结语
20 世纪 70 年代，机械表开始被石英表取代。石英表是用石英晶体振动的电子计数来计时的。随着技术的发展，大众所佩戴的手表越来越依赖于数字电路。现代的智能手表仅仅是在外形和佩戴位置上与原来的手表有相似之处了。
机械表不如电子表准确。它们更脆弱，需要定期维护。尽管有这些缺陷，这些设备向我们展示了机械工程的精妙之处。通过巧妙地利用微型齿轮、杠杆和弹簧并将它们有机结合，一块机械表从冷冰冰的零件变成了鲜活的生命。
作者：Ciechanowski
翻译：牧羊
审校：深浅
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Ciechanowski
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