准确地说是一首时间与温度的歌

准确地说是一首时间与温度的歌

关于精密计时历史的许多有趣的事情中最有趣的事情之一是,每一个解决方案也往往会带来新的、意想不到的问题的令人不快的惊喜。 

例如,第一批手表和钟表没有游丝,如果您每天走在一小时(或两小时)以内,您就已经很幸运了。1675 年开始使用的摆轮游丝突然使手表的精度达到每天几分钟成为可能(摆钟和锚式擒纵机构的发明对钟表的精度产生了类似甚至更为显着的影响)时钟)。随着手表擒纵系统的不断改进,钟表制造商和钟表制造商开始观察到一些直到那时才引起他们注意的东西——温度变化对时计的走时有显着影响。 

1979 年,南极洲麦克默多湾,美国海军直升机机组人员佩戴精工 6105。

1979 年,南极洲麦克默多湾,美国海军直升机机组人员佩戴精工 6105。

如今,我们理所当然地认为手表从两极到赤道以及两者之间的任何地方都将保持相同的速率,但要到达那里是一段漫长的过程,需要大量的思考和努力。

在摆钟中,问题是由摆锤长度与温度相关的变化引起的——事实证明,解决该问题的最佳方法是使用特殊材料,如石英或一种镍钢合金,如殷钢,它们具有在不同温度下具有非常高的尺寸稳定性。

在手表中,温度的变化可能会导致每天数分钟的速率变化——例如,足以使航海天文钟失效。一开始并不清楚为什么。温度变化会导致摆轮尺寸以及钢制游丝发生变化。早期手表的摆轮由黄铜制成,游丝由碳钢制成。温度升高会导致摆轮直径增加,发条的厚度、高度和长度也会增加。

早期美国怀表,Howard, Dennison & Davis,1852 年。摆轮是未切割的黄铜。

早期美国怀表,Howard, Dennison & Davis,1852 年。天平是未切割的黄铜。

所有这些变化之间的关系都很复杂,但到目前为止,影响带有钢制游丝的手表或钟表精度的最大因素是,随着温度升高,游丝的强度会降低。弹簧的强度称为杨氏模量或弹性模量。弹簧的减弱意味着它需要更长的时间才能在每次摆动时将摆轮返回到中性位置——随着温度的升高,手表会走得越来越慢。

不出所料,第一个密切观察温度影响的人是航海计时器的制造商。Ferdinand Berthoud(精密计时历史上的重要人物,尽管他也是乔治丹尼尔斯所写的人,“……他对自己的工作有很高的评价”,公平地说,很多人都是如此制表师)发现他的一款计时器的速度在 32ºF 和 92ºF 之间变化很大——在 24 小时内达到 393 秒或 6.55 分钟。

Citizen Calibre 0100,https://www.hodinkee.com/articles/citizen-eco-drive-caliber-0100-review 温度补偿高频石英,每年精确到 1 秒。

温度也会影响石英晶体,而最精准的石英表具有某种形式的温度补偿。Citizen Calibre 0100 ,温度补偿高频石英,每年精确到 1 秒。

因此,制表师必须找到某种方法来补偿温度引起的手表速率变化,因此诞生了温度补偿的艺术和科学。1761 年,约翰·哈里森 (John Harrison) 以他的 H4 手表的首次亮相展示了第一款成功的航海计时器(该手表在海上航行 81 天后仅慢了 5 秒)是第一个设计带有温度补偿功能的手表,专为他打造1753 年由制表师约翰·杰弗里斯 (John Jefferys) 提出。随后进行了各种温度补偿尝试,其中一些与游丝有关(哈里森的方法),另一些与摆轮有关。其中一些是古怪的巴洛克风格,但最终,制表师将双金属补偿天平作为标准方法。

机芯,Girard-Perregaux 怀表,1860 年。
特写,机芯,Girard-Perregaux 怀表,1860 年。

机芯,Girard-Perregaux 怀表,1860 年。这款腕表配备链轮和芝麻链枢轴天文钟擒纵机构、金质擒纵轮和球形蓝钢游丝,以及切割补偿摆轮;上面都可见。 

任何看过旧手表或怀表机芯的人都熟悉双金属摆轮——它的边缘有螺丝,边缘有两个切口。摆轮轮缘是两种金属的夹层结构——内层是钢,外层是黄铜。随着温度升高,黄铜比钢膨胀得更多,因此随着温度升高,摆轮的两个切割端均向内弯曲。这减小了摆轮的直径,减少了它的惯性矩(这种效应的典型例子是花样滑冰运动员在将手臂靠近身体时旋转得越来越快),从而导致摆轮振荡得更快。摆轮惯性的减小补偿了游丝的减弱。

这是一个非常聪明的想法,但只有一个问题。天文台制造商注意到了一个奇怪的现象——如果手表在特定温度下计时,它会在高于和低于该温度的情况下走失。为什么?

准确地说是一首时间与温度的歌

劳力士 Syloxi 硅游丝。硅是非磁性的,但对温度变化很敏感——温度补偿是通过二氧化硅涂层实现的。Microstella摆轮螺丝用于速率的微调。

如果您绘制由于弹簧强度变化引起的速率变化,您会得到一条直线——变化是线性的。然而,如果您绘制由于摆轮直径变化引起的速率变化,您会得到一条曲线,这意味着您从摆轮获得的补偿无法在所有温度下准确匹配游丝弹性。对速率的总影响是通过结合两条线的影响给出的,这会产生一条曲线,其中曲线中心的速率最快,两端最慢。广告

这个问题的答案通常是调整手表,使其在 20ºC (68ºF) 时走得稍微快一些。这意味着在更高和更低的温度下,游丝强度曲线和游丝直径曲线会相互抵消——这个想法是,如果手表暴露在不同的温度下,你或多或少会得到令人满意的补偿,以换取接受所谓的中间温度误差。

La Rose Carée 怀表机芯,Parmigiani Fleurier

机芯,La Rose Carée 怀表,Parmigiani Fleurier 。新发布的使用复古机芯的手表偶尔会出现补偿天平;这个口径大约来自 1898 年。

微调剪裁、补偿平衡是一门艺术。补偿量可以通过移动螺丝在轮辋上的位置来调整,并通过添加垫圈或通过减小螺丝头的尺寸来微调。同时,您必须小心不要打乱天平的平衡——边缘上的重点或轻点也会影响精度。

我一直认为薪酬余额有一些独特的美丽之处。它将许多人认为具有机械生命的手表变成了对环境变化敏感的有机体,与更大的世界处于动态平衡(或多或少)。

Kew A 劳力士天文台表
机芯,Kew A Rolex chronometer,显示 Guillaume 摆轮

Kew 劳力士天文台计时表, 1947 年,配备纪尧姆摆轮。天平使用黄铜,但内层是镍钢 Anibal,而不是钢。Anibal 是Charles Guillaume发现的一组镍钢合金之一,他将在 1920 年获得诺贝尔奖。

然而,温度补偿的真正解决方案来自材料科学,而不是制表业,这在制表业中经常发生。1899 年,巴黎国际度量衡局局长查尔斯·纪尧姆 (Charles Guillaume) 博士发现了一系列镍钢合金中的第一种,当与钢制游丝相匹配时,几乎消除了中温误差,因此- 称为 Guillaume 的天平成为精密手表的黄金标准——它们被用于著名的 Kew 天文台劳力士天文台。1933 年被称为 Nivarox 的材料的发明推动了棺材中用于平衡天平的最后一颗钉子,它是铍钢、镍和微量其他金属的合金。今天大多数手表都有 Nivarox 型游丝,未切割,

这是一个很好的解决方案,但我怀念补偿平衡的浪漫——是的,浪漫。从制表的角度来看,我一直觉得它们很有趣,但我认为它们看起来也非常漂亮。特种合金的发明比耗时费力的补偿平衡和调整过程更有意义。但我很讨厌看到用双手和头脑把困难的事情做好有其独特的魅力,而且我认为我永远不会看到没有百年历史的怀表的补偿天平跳动我自己的心跳得更快了。

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