温度变化

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1月 1999

问:

温度会影响手表吗?如果会,那怎么消除这种影响呢?

Ribella Hortensia 西班牙

答:J.C. Nicolet教授

惠更斯和哈里森(Huygens and Harrison)

温度的变化当然会影响计时器的走时。然而,在手表早期的发展史里,这种影响却被忽视了,因为温度波动所导致的混乱,比设计的不完美所引起的变化要小得多。

1675年,荷兰学者克里斯蒂安•惠更斯有了一个想法,那就是将一根扁平的摆轮游丝固定在手表的摆轮上,用来调节手表的走时。这个重要的创新标志着现代制表业的开始。惠更斯摆轮游丝的运用,使其手表的精准度比其它手表高出10倍,在物理性能上,这也算得上是一个极大进步。举一个例子,第一块装上摆轮游丝的手表,每天走时误差只有4到5分钟,但是那些没装的手表,每天走时误差则从40到50分钟不等。1675年,荷兰学者克里斯蒂安•惠更斯有了一个想法,那就是将一根扁平的摆轮游丝固定在手表的摆轮上,用来调节手表的走时。这个重要的创新标志着现代制表业的开始。惠更斯摆轮游丝的运用,使其手表的精准度比其它手表高出10倍,在物理性能上,这也算得上是一个极大进步。举一个例子,第一块装上摆轮游丝的手表,每天走时误差只有4到5分钟,但是那些没装的手表,每天走时误差则从40到50分钟不等。

伦敦皇家学会秘书,奥尔登堡Oldenburg,他也是惠更斯的朋友。他给这个荷兰人写了一封信,说:“我们皇家学会非常确信温度对摆轮游丝有重大的影响,而我们也相信这点一定引起了您的注意。”1675年5月1号,惠更斯用自己的实验回信到:“我没有发现,把摆轮游丝放在火焰上加热后,跟冷却时比起来,其振动有所减慢。”

但是,惠更斯错了。不久,随着手表设计的改进,温度在摆轮游丝弹性上所扮演的重要角色也逐渐显现,因此,人们也注意到它会导致走时误差。然而,直到1714年,我们才找到了这个问题的大致解决办法。

图1:约翰•哈里森(1693-1776)

约翰•哈里森(1693-1776)首次制造了一块精密计时器,它精准到足以用在远洋航行中测定经度。他的“四号”表,赢得了英国议会提供的两万英镑的奖金,就装上了这种装置,来纠正温度波动造成的误差。此装置由一条双金属带所构成,作为温度变化时的一个功能,金属带可调节摆轮游丝的长度,使其能自动伸缩。尽管,这个特别设计是很累赘且不可调节,但是它却很有用。在海上航行156天后,考虑到手表已知日常变异,哈里森的“四号”表误差只有15秒,这就意味着在伦敦的纬度,误差小于5米。

1726年,哈里森在33岁时开始了自己的研究。1764年,他获得自己发明奖金的一半,而直到1772年,他去世前4年,才获得另一半奖金。看起来,“英国佬”对他们的后人还真是吝啬地要命。

图2:约翰•哈里森做的温度补偿发明,包括了一个由钢铁和青铜棒组成的系统,它会自动改变摆轮游丝的长度(左图)。他那块,在1711年,赢得议会大奖的“四号”表,就只是用一根单独的双金属棒作用于摆轮游丝上。

温度的影响

温度的变化会对手表产生很多影响。其中,最主要的影响就是,钢铁螺旋体的弹性会有所损耗,在温度升高的情况下,它会造成大概每天每摄氏度11秒的误差。摆轮的膨胀和摆轮游丝的伸长,都会产生很小的误差,但是摆轮游丝厚度和高度的增加正好可以补偿。

作为一个温度功能,润滑油粘性的非线形变化,会产生一个非量化的影响。但一般说来,在正常佩戴手表的情况下,此影响是非常弱的。

热补偿

热补偿是任何用来补偿或者抵消温度对手表机芯运作影响的过程。

图3:皮埃尔•乐华 (1717-1785).

皮埃尔•乐华(Pierre Le Roy),法国精密计时学创建人之一,首次开发了一种热补偿技术,用在摆轮上,而不是像哈里森的技术用在摆轮游丝上。它是一个双金属半圆摆轮成两部分,外圈由青铜制成,而内圈则由钢铁制成,两者都装上了螺母,以便在任何需要的情况下进行调节。当温度上升时,青铜圈膨胀得比钢圈快,这时环会变紧。在摆轮的惯性降低的那一刻,手表会因此加速往前走,进而补偿因摆轮游丝所产生的误差。这个可完全调控系统很有效,且易管理。在19世纪期间,所有热补偿性能的手表都装有双金属摆轮。

图4:皮埃尔•乐华的热补偿系统,它为一双金属半圆摆轮,成两部分,外圈由青铜制成,圈由钢铁制成。在常温状态下(左图),两部分会保持直线。当温度上升时,长的双金属部分会移向中心。当温度降低时,此部分会移到反方向。

夏尔•爱德华•纪尧姆(Charles Edouard Guillaume)

温度变化所产生问题的最好解决办法是来自瑞士弗勒里耶的夏尔•爱德华•纪尧姆(1861-1938)。纪尧姆是法国塞弗尔国际重量和测量局主任,专门研究镍钢合金的属性,其目是为了制定一个热不敏感标准,来测量仪表的长度。1897年,他创造出一种材料,在绝大多数正常温度范围内,其膨胀系数几乎为零。纪尧姆把这种新的铁镍合金材料叫做团瓦合金(INVAR),它在局里的标准测量仪上很管用,此外,在时钟制造方面,它也找到了用武之地,那就是不管温度怎么变化,它都能让摆杆保持相同长度。在此发明之前,因钢铁发热会致使其长度增加,这样会造成每天每摄氏度0.5秒的误差,因此,那些“高精确度”钟都必须安装一些类似于膨胀补偿的装置。受到时钟上团瓦合金成功运用的鼓舞,表匠们也决定用它来取代一般传统的钢铁摆轮。

图5:一块奖牌纪念夏尔•爱德华•纪尧姆从国际重量和测量局退休。

20世纪初,团瓦合金轮摆游丝,为手表上的热改变,提供了一个非常合理的解决方案。然而,我们却花了二十多年的时间来使其更加完美。1912年,一种含镍29%的新合金被开发出来,但它却有一个重大的缺陷——太软,因此不太好用。最终,直到20年代早期,纪尧姆和 Chenevard及Imphy钢铁实验室的合作,才开发出了一种叫产品镍铬恒弹性刚(ELINVAR)。

用新合金材料制成的摆轮游丝叫做"自动补偿摆轮游丝"。它迅速地取代了其钢铁材料的对应部分,且其还有一个额外优点,那就是摒弃了两片双金属摆轮。此外,镍铬恒弹性刚不易受到磁力的影响,也不易被氧化,因此,也大大提高了手表在这些区域的质量。为了表彰他的杰出贡献,他在1920年被授予诺贝尔物理学奖,比爱因斯坦还要早一年。

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