擒纵机构

力会一下子放完

发条上紧以后，一直在推齿轮。没有东西拦着，齿轮会越转越快，储存的能量很快就放光了。

计时要的正好相反：力分成许多相等的小份，按固定的节拍放出去。擒纵机构是这道闸门，节拍由振子来定。

取下擒纵叉，齿轮系空转

机轴擒纵与横摆

欧洲最早的机械钟出现在 1300 年前后，用的是机轴擒纵：冠状轮上方和下方的齿，轮流推动立轴上的两片叶片；立轴顶上是一根横摆，两端挂着小重锤。

横摆没有自己的节奏。它来回一次要多久，取决于重锤的推力、摩擦和横摆上小重锤的位置。早期的钟一天可能差一个小时，最好的也差十几分钟。

驱动的重锤加重：横摆摆得更快

摆有自己的节奏

伽利略在 1602 年的一封信里写到：摆来回一次的时间几乎只由摆长决定，和摆幅关系不大。这只在摆幅小的时候成立，摆幅越大，周期越长。

1656 年，惠更斯做出了第一台摆钟，用摆的周期来控制擒纵。钟的误差降到每天一分钟以内，改进后不到 10 秒。摆长约 0.994 米的摆每摆一次正好 1 秒，叫秒摆。

摆幅 2.5° 变到 5°，一天慢约 31 秒

锚式擒纵

1670 年前后出现了锚式擒纵，形状像船锚，常归于伦敦钟表匠 William Clement。有了它，摆只需摆动几度，比机轴擒纵配摆时的八九十度小得多，周期也就更稳。

锚每放过一个齿，摆还要再走一小段，叉瓦把擒纵轮往回推一点，轮子再前进。所以它也叫后退式擒纵。落地钟的长摆、每秒一响，就是从这里来的。

后退：摆走完余下的弧，擒纵轮被推回一点

手表里的杠杆擒纵

手表戴在手腕上，用不了摆。振子换成摆轮和游丝：游丝是一根很细的螺旋弹簧，摆轮在它的带动下来回转动，节奏由两者决定。

摆轮和擒纵轮之间是擒纵叉。叉的一头有两块红宝石叉瓦，卡住擒纵轮的齿；另一头的叉口接住摆轮上的圆盘钉。杠杆擒纵 1754 年前后在英国发明，今天几乎所有机械表都用它的瑞士式，擒纵轮通常有 15 个齿。

擒纵轮 · 擒纵叉与两块叉瓦 · 圆盘钉 · 摆轮与游丝

一拍的五步

摆轮转回来，圆盘钉进入叉口，推着叉转，叉瓦从齿上退出，这是解锁。接着齿尖滑过叉瓦的冲击面，齿上的斜面也推着叉瓦，叉再推圆盘钉，把能量交给摆轮，这是传冲。

齿离开叉瓦，擒纵轮空转一小段，是跌落；下一个齿撞上另一块叉瓦的锁面，停住，是锁定。锁面斜着切，齿一压，叉就被拉向止挡，锁得更牢。之后摆轮自己摆完余下的弧。

解锁 → 传冲 → 跌落 → 锁定 → 自由摆动 · 放慢

大部分时间不受打扰

上满发条时，摆轮从中间摆到一端约 300°，圆盘钉只在中间约 50° 的范围里碰到擒纵叉。其余的路，摆轮不碰任何东西。

所以杠杆擒纵叫自由擒纵：摆轮大部分时间只受游丝控制，齿轮里的摩擦和力的起伏很少传到它身上。

接触只占摆角的 8%，时间的 5%

滴答

这只机芯每小时摆动 28,800 次，也就是每秒 8 拍，摆轮每秒来回 4 次（4 赫兹）。擒纵轮 15 个齿，每个齿推两拍，一圈 30 拍，每分钟转 16 圈。

一拍里有几次细小的撞击：圆盘钉碰叉口，齿落到锁面上，叉碰到止挡。听到的滴答，主要是齿落下锁住的那一声。

每秒 8 拍 · 擒纵轮每分钟 16 圈

发条松紧

发条越紧，每次传冲给的能量越多，摆轮摆得越远。上满时通常在 270° 到 310° 之间，快放完时明显变小。

节拍几乎不变：摆轮的周期由游丝和摆轮本身决定。好的机芯一天误差在 ±10 秒左右；COSC 天文台认证要求机芯的平均日差在 −4 到 +6 秒之间。

摆幅随发条变，节拍不变

拆开来看

一只机芯拆开是这几部分：发条盒、齿轮系、擒纵轮、擒纵叉、摆轮和游丝，以及上下夹住它们的主夹板和桥板。

每根轴的两头都装在宝石轴承里。宝石是人造红宝石，1902 年起可以用焰熔法大量制造，硬而光滑，几乎不磨损。

剖开

沿擒纵轮、擒纵叉和摆轮的中心剖开：每根轴上下两头都插在宝石轴承里，主夹板在下，桥板在上。摆轮的轴最长，上端的宝石由防震弹簧托着。

剖面：擒纵轮 · 擒纵叉 · 摆轮的轴与宝石轴承

它改变了什么

钟准到每天只差几秒，钟面上才普遍有了分针，大约从 1690 年开始，后来又有了秒针。

在海上，准确的钟可以用来求经度：1759 年完成的哈里森 H4 证明了这一点，后来的航海天文钟大多用棘爪式擒纵。工厂按钟点上下工，铁路要统一时间：1840 年大西部铁路采用伦敦时间，1847 年英国铁路清算所建议各线采用格林尼治时间，1883 年 11 月 18 日美国和加拿大的铁路开始用标准时区。

约 1300 机轴擒纵 · 1656 摆钟 · 约 1670 锚式擒纵 · 约 1754 杠杆擒纵