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金玉满堂

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　　擒纵机构的起源现已很难考据。13世纪的法国艺术家Villard de Honnecourt就已发明出擒纵机构的雏形，这个仪器看上去是一个计时装置，但走时不精确。随后的几百多年，迎来了机械钟表的“黄金时代”，大约有300多种擒纵机构被发明出来，但只有10多种经受住了时间的考验。
　　机轴擒纵机构Verge escapement
　　
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　　机轴擒纵机构模型[保存到相册]
　　机轴擒纵机构是最早已知的机械擒纵机构，又被称为冠状轮擒纵机构（crown wheel escapement）。很遗憾，究竟是谁发明的机轴擒纵机构，它的第一次“亮相”又是何时，都已不可考证，但它似乎与机械钟表的开端有着密不可分的关系。从14世纪以来，机轴擒纵机构被应用于钟表中约达400年之久。18世纪瑞士天文台表制造师Ferdinand Berthoud曾在其书《时间测量史（History of the Measurement of Time）》中这样评价机轴擒纵机构：尽管发明了无数种擒纵机构，但要说用于日常普通的手表中，还是机轴擒纵机构最好。
　　机轴擒纵机构中的擒纵轮形似西方王冠，故称冠状轮（有些机轴擒纵机构的冠状轮是水平的，而有些则是垂直的），冠状轮的锯齿形轮齿向轴突出，前面是一根竖直的机轴，机轴上有两片呈一定角度的擒纵叉，运行时，冠状轮上的一个轮齿能与一片擒纵叉相咬合。
　　16世纪末期，意大利物理学家伽利略注意到教堂里悬挂的那些长明灯被风吹后，有规律地摆动，他按着自己脉搏的跳动来计时，发现它们往复运动的时间总是相等，由此发现了摆的等时性。1657年，荷兰物理学家惠更斯根据伽利略的发现将钟摆引入了时钟，制作出了摆钟。
　　鼀摆与机轴呈垂直方向。冠状轮旋转时，轮齿推动其中一片擒纵叉，转动起机轴以及与其相连的摆杆，并推动第二片擒纵叉进入齿道中，直到轮齿推动第一片擒纵叉，如此往复。加入了钟摆之后，钟摆有规律的摆动使得机轴擒纵机构中的擒纵轮是以恒定的速率向前移动。机轴擒纵机构的优点是就是不需要加油，也不需要很精细的制作工艺；而缺点就是，每一次齿轮与擒纵叉咬合时，摆杆形成反作用力，推动冠状轮向后一小段距离（回退）。
　　 冠状轮上的轮齿数必须为奇数，通常两片擒纵叉之间的夹角为90°-105°，从而使钟摆的摆角为80°-100°。为了减少钟摆的摆动，增加等时性，法国人将擒纵叉之间的角度加大到115°。这样钟摆的摆角为50°左右，减少回退。但机轴需要被安装得离冠状轮非常近，因此轮齿与擒纵叉相碰时离轴很近，减少了杠杆作用，增加了摩擦力，造成擒纵机构的磨损以及走时的不精确。
　　 到了19世纪后期，逐渐开始流行轻薄款腕表，冠状轮都做得很小，因此磨损效果被放大，上紧发条时，钟表会运行得非常快，每天都会走快好几小时，因此机轴擒纵机构成为最不准确的擒纵机构，渐渐被其他擒纵机构所取代。在钟摆被运用到早期的机轴擒纵机构之前，交叉节拍式擒纵机构的发明满足了天文学家们对时钟精准度日益严苛的要求。在西方技术史上，一个机械的技术问题经过一系列改进被解决之后，通常之前的机械（即使是设计非常精巧的机械）很快就会被遗忘。交叉节拍式擒纵机构就是这样一个长期被遗忘的机械装置。事实上，交叉节拍式擒纵机构在西方机械钟表发展史上的地位不容忽视。
　　交叉节拍式擒纵机构的发明者和首位制造者是瑞士的制表师、天文学家JostBürgi（1552-1632）。他将机轴擒纵机构中的单一摆杆改良成双摆杆。随着这种恒动装置的发明，将机械钟的精确度提高了两个数量级，并使时钟每天误差率保持在一分钟之内。
　　双摆擒纵机构Two-pendulum escapement
　　
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　　搭载了双摆擒纵机构的剪刀式座钟[保存到相册]
　　还有其他一些擒纵机构用双摆代替了单摆。一种是将双摆直接装在两个柄轴末端，每个柄轴的另外一段则各装有一个擒纵叉以及一片异形齿轮。两个钟摆反方向摆动，并一前一后接收到能量。这种双摆擒纵机构是由法国制表师Jean Baptiste Dutertre发明的。
　　另一种双摆擒纵机构，虽然有两个钟摆，但只有一个摆锤。通过一个双擒纵叉接收能量，摆线曲线（cycloidal curves）则被用来校正摆动持续时产生的不等性。在钟表中，圆形摆轮所产生的效果没有比调节杆或调节轴更好，因此迫切需要发明一些其他的调节系统。
　　Hautefeuille神父用猪鬃毛将擒纵叉和摆轮连接起来，制造出一种弹性机制。尽管结果并不完美，但这是一个绝妙的主意。之后猪鬃毛被替换成一根笔直的有弹性的游丝，接着笔直的游丝演变成了像蛇一样盘绕。英国著名的制表师Harrison又做了两处的修改，给擒纵叉增加了弧度。另一处则是增加了一个作用类似于摆线曲线的零件，与钟摆相连。由英国博物学家Robert Hooke于1660年左右发明的锚式擒纵机构迅速地取代机轴擒纵机构，成为19世纪摆钟所使用的标准擒纵机构。比起机轴擒纵机构，其钟摆的摆角减少了3-6°，增加等时性，而且其更长、移动更慢的钟摆消耗更少的能量。锚式擒纵机构大多数用于狭长型的摆钟里，尤其是老爷钟。
　　锚式擒纵机构由尖齿型的擒纵轮以及一个锚状轴组成。锚状轴与钟摆连接，从一边摆动到另一边。锚状轴两臂上的一个擒纵叉离开擒纵轮，释放出一个轮齿，擒纵轮旋转并且另一边的轮齿"抓住"另一个擒纵叉，推动擒纵轮。钟摆的动力继续将第二个擒纵叉推向擒纵轮，推动擒纵轮向后一段距离，直到钟摆向反方向摆动并且擒纵叉开始离开擒纵轮，轮齿沿其表面滑动，将其推动。
　　锚式擒纵机构的机械操作与机轴擒纵机构有相似之处，有两个缺点：1.整个运行周期，钟摆不断被擒纵轮齿推动，而不是自由摆动，这扰乱了等时性；2.锚式擒纵机构是回退式的擒纵机构，在运行周期中，锚状轴会推动擒纵轮向后退，增加了钟表齿轮的磨损，致使走时不准确。这也会导致擒纵轮齿戳到擒纵叉表面。所以锚式擒纵机构的擒纵轮齿是后斜形的（与擒纵轮旋转的方向相反），而擒纵叉的表面稍稍凸起，以防止轮齿戳到擒纵叉表面。后斜形的擒纵轮齿还能作为安全装置。如果钟表被移动，钟摆则不固定，其不受控制的摆动可能导致擒纵叉与擒纵轮猛烈碰撞。倾斜的轮齿确保了擒纵叉的扁平面先撞到轮齿的边，保护易损的齿尖免于被撞坏。
　　锚式擒纵机构的两个缺点在直进式擒纵机构中得以解决。在精密钟表中，直进式擒纵机构慢慢取代了锚式擒纵机构。
　　
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　　直进式擒纵机构模型[保存到相册]
　　直进式擒纵机构是在锚式擒纵机构的基础上进行改进，通常被错认为是英国制表师George Graham在1715年左右发明的，但其实在1675年天文学家Richard Towneley就已发明出直进式擒纵机构，而Graham的师傅Thomas Tompion是第一位使用直进式擒纵机构的人，他为Jonas Moore爵士制作的钟表就使用了这种擒纵机构。Graham只是将这种擒纵机构推广开来。
　　在锚式擒纵机构中，钟摆的摆动会在其运行周期内的一段时间内推动擒纵轮向后。这种回退式的擒纵机构扰乱钟摆的运动，造成走时不准确，并且逆转了齿轮转动的方向，对整个系统造成高负荷，加大了摩擦和磨损。直进式擒纵机构的最大优势就是消除了回退。
　　在直进式擒纵机构中，擒纵叉上有弧形的锁面，与锚状轴同轴转动。当钟摆摆动到至高点，擒纵轮上的尖齿紧靠着锁面，力直接传递给锚状轴的旋转轴，不给钟摆提供任何冲击，确保了钟摆自由摆动，防止了反冲力。当钟摆摆动到靠近底部时，尖齿滑出锁面，滑进冲面，在擒纵叉释放齿轮前，给钟摆一个推力。这是第一个将擒纵行为中"锁定"和"冲击"分开来的擒纵机构。相对于锚式擒纵机构中后斜式的擒纵轮齿，直进式擒纵机构的擒纵轮齿是前倾式的（与擒纵轮旋转的方向一致），确保轮齿与擒纵叉的锁面接触，防止回退。
　　直进式擒纵机构起先被运用于精密的天文钟内，由于其精准度更高，于19世纪取代了锚式擒纵机构。除了塔钟常用重力擒纵机构外，几乎所有的现代摆钟都采用直进式擒纵机构。
　　销子轮式擒纵机构Pin wheel escapement
　　
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　　销子轮式擒纵机构细节图[保存到相册]
　　销子轮式擒纵机构由Louis Amant于1741年左右发明，属于直进式擒纵机构的一种。擒纵轮齿不是尖齿形，而是圆销式的，擒纵叉也不是锚状的，而是剪刀式的。在实践中发现"切割"锁面时只会产生非常小的反冲力。这种擒纵机构，也被叫做Amant擒纵机构，在德国则被称为Mannhardt擒纵机构，经常被用于塔钟中。