在这个现代便携设备遍地的世界里，可能很难想象，仅仅几十年前，记录时间最方便的方式还是一块机械表。和它们的石英表、智能表兄弟不同，机械表无需任何电池或其他电子元件就能运转。
在这篇文章里，我会讲解原文那个演示中所展示的机芯是怎么运转的。（原文此处是一段可交互的 3D 演示：你可以拖动整个设备来改变观察角度，也可以用滑块窥探内部正在发生什么。）
你在那里看到的东西，叫做机芯（movement）—— 机械表的内部部件，通常被包裹在一个金属表壳里。这篇文章我聚焦于机芯本身，因为再漂亮的表壳，也不过是藏起了那些精巧的机械结构，而后者才是真正的主角。
整个机芯有非常多的零件，这篇博客里我会逐一讲解每个零件的用途。制表的世界术语密集，很多部件的名字你可能闻所未闻，但你不必有压力非要记住它们 —— 这些名字和零件都会用颜色标记，方便随时对照。
在一块正常运转的表里，许多零件都在持续运动。本文中所有动画默认都是开启的，但如果你觉得它们让人分心、或者想省点电，可以一键暂停接下来的所有演示。
整个机芯虽然零件众多，但任何一块表最核心的功能 —— 计时系统 —— 只由七个主要部件构成，我们可以把它们排成一条直线来看：
它看起来或许平平无奇，但这些零件身上仍有许多有趣的细节，正是它们共同促成了秒针以正确的速度转动。我们就从这整套装置的动力来源讲起，开始探索这些细节。
动力
纯机械的装置有几种不同的方式为自己提供动力，而储存能量最简单的方法之一，就是用弹簧。我们日常生活中见到的大多数弹簧是螺旋弹簧（coil spring）。（原文此处是一段可交互演示：你可以推动连在这种弹簧上的质量块，看它来回弹动。）
像这样的弹簧被压缩时，会储存一些能量，当压缩的张力被撤去时，这些能量便释放出来。机械表通常用的是另一种弹簧 —— 螺旋形的扭力弹簧（torsion spring）。这种弹簧在被扭转时蓄力，松手后会朝相反方向回弹，最终停在它的自然状态。
在机械表里，我们最终想要的是转动的指针，所以扭力弹簧提供的这种旋转运动就特别有用。一块典型机械表里的弹簧形状要更复杂一些 —— 原文中展示了它处于松弛状态的样子。（原文此处可拖动滑块，试着把它悬空拧紧，但一松手，它就会弹回原本的形状。）
如你所见，这根弹簧相当强劲，它一心想要迅速膨胀开来。为了把这根弹簧约束住，我们得把它装进一个叫做发条盒（barrel）的壳体里。
进了发条盒之后，弹簧依然想要膨胀回它原本的状态，但发条盒的壁把它挡在了原地。这根弹簧就是表的储能装置，它的名字 —— 主发条（mainspring）—— 正反映了它的重要性。
遗憾的是，主发条处于这个状态时，我们没法从它身上获得任何有用的功 —— 它已经膨胀到了可能的最大尺寸。要在它里面储存更多能量，我们得用一根条轴（arbor）把它紧紧绕起来；我们先把这根条轴装在主发条的内侧。
如果你仔细看，主发条末端附近有一个小孔 —— 在原文演示的正中央可以看到它。条轴上有一个小钩子，正好勾住那个孔。
当条轴被转动时，它会带着主发条一起转，使其卷紧。（原文此处是一段演示：我们把发条盒固定住，你可以拖动滑块来转动条轴。）
注意，一旦你松开滑块、放开条轴，主发条就会立刻把条轴反着转回去。这并不是我们想要的 —— 我们想要的是让发条盒转动，这样它才能为表的其他部件提供动力。要从主发条身上获得有用的功，我们就得一直按住条轴，转而在想动用储存的能量时放开发条盒。
我们很快就会看到这在实际中是怎么做到的，但现在我们先假设条轴被固定住，主发条最终带动发条盒转动，就像原文那个演示里那样。在结束主发条和发条盒的话题之前，我们再聊两个让这套机构更可靠的细节。让我再把那根松弛的弹簧调出来：
附在主发条上的那条金属带为它的外段提供了额外的张力。那条金属带一心想弹回它笔直的形状，于是它抵着发条盒的壁向外推，制造出大量摩擦，把主发条固定在原地。
当条轴带动内段时，这就把主发条的外端锁住了。如果我们继续把弹簧拧到超过它的最大容量，就会盖过那股摩擦力，让主发条在内部打滑 —— 这相当于一个安全机制，防止零件被拧断。
正如我们所见，主发条在松弛状态下形成一个 S 形，整条弹簧的曲率各处不同。这有助于它装进发条盒后，平衡主发条各段的张力。注意，卷紧后的弹簧，内段的半径比外段小得多。如果松弛的弹簧只是一根笔直的金属条，那么卷紧之后，内段被弯曲的程度会远大于外段。而采用 S 形的弹簧，外段也处在相似的张力之下，因为它们想要回到自己那段朝反方向弯曲的弧度。
为了固定住主发条、防止灰尘进入，我们用一个能扣进位的盖子把发条盒封起来。
我们成功让一些零件转了起来，有人可能会天真地以为，我们直接给发条盒装一根表针就能用它来计时了。可惜，那行不通 —— 原文的演示里你能亲眼见到这一点。（原文此处是一段演示：你可以看到，当你用滑块把主发条拧紧再松手后，这块「表」是怎么表现的。）
我们显然还有不少活儿要干 —— 指针转得太快了，而且只转了几圈，发条盒里的主发条就把储存的能量耗尽了。很明显，这套装置没法让我们以任何可靠的方式计时。
如果我们想让表上一次发条就能连续走大约 40 小时，那分针就得在这段时间里转完 40 圈。而且，秒针在这段时间里要转大约 40 × 60 = 2400 整圈。我们需要找到一个办法，把发条盒为数不多的转动圈数，转换成指针的大量转动圈数。这就轮到齿轮登场了。
齿轮
我之前在这个博客上讲过齿轮，所以这里只非常简短地回顾一下。齿轮可以用来改变两根不同轴之间的转速。（原文此处是一段演示：通过观察我放在每个齿轮上的小圆点，你能看出 —— 由更大的红色齿轮带动的黄色齿轮，转完一圈所花的时间要少得多。）
两个相互啮合的齿轮，一个重要的方面是它们的齿数。一个齿轮上的每个齿，都会嵌进另一个齿轮的两齿之间的空隙，所以在一个单位时间内，两个齿轮转过的齿数是相同的。如果两个齿轮的齿数不同，它们转完一圈所花的时间就可以不一样。（原文此处可调节主动红色齿轮和从动黄色齿轮之间的齿数比，看它如何影响黄色齿轮的转速。）
这两个齿轮本就是为彼此配合而设计的，所以齿数之比就等于齿轮半径之比。当主动齿轮的齿数比从动齿轮多时，从动齿轮转的圈数就比主动齿轮多。我们可以利用这个特性，让表的秒针在发条盒转一圈时转上许多圈。
我们来盘算一下这里要做多大的提速。发条盒上一次发条大约能转 7 圈，但我们想让秒针在同样的时间里转完大约 2400 圈。我们需要的齿数之比、或者说半径之比，大约要到 343:1。我们来看看这在实际中会是什么样。（原文此处可用滑块把镜头拉远来看这两个齿轮。）
如你所见，这种比例荒唐至极 —— 为了让红色齿轮装进任何尺寸合理的表里，黄色齿轮就得小得不像话，而且两个齿轮都得有极其脆弱、微小到肉眼难辨的齿。
机械表的做法是改用一列齿轮（gear train），让多个齿轮成对协作 —— 每一对都在一定程度上提一点速。（原文此处的演示中，你能看到参与这一级级减速增速的四个轮，注意大多数转轴上都有两个齿轮，你可以用滑块控制这一整列齿轮的转速。）
发条盒充当第一轮，它带动第二轮，第二轮带动第三轮，第三轮最终带动第四轮。注意每个大齿轮都带动一个叫做小齿轮（pinion）的更小的齿轮。一个小齿轮和下一个大齿轮装在同一根轴上，这样我们就能在每根轴上接着提速。这种做法有显著的好处 —— 我们能把整套机构做得小得多，而且很快我们就会用其中一个转得较慢的中间轮，去驱动分针和时针。
在结束齿轮这部分之前，我快速提一下它们齿的形状。很多更大型的机器在齿廓上采用渐开线形（involute），而机械表常用的是摆线（cycloidal）齿廓 —— 它是由一个圆在另一个圆的表面上滚动得到的。
我们来看看，当我们通过条轴给主发条上紧、让表跑起来时，我们组装好的这套所谓的走时轮系（going train）是怎么运转的：
我们确实达成了让秒针在发条盒转一圈时转上许多圈的目标，但那根指针的转速仍然完全是脱缰的。我们需要找到一个办法，来控制储存在主发条里的能量的释放速率 —— 这要靠擒纵机构（escapement）来完成。
擒纵机构
我们先来看看构成擒纵机构的两个部件 —— 擒纵轮（escape wheel）和擒纵叉（pallet fork）：
注意擒纵轮那不寻常的齿形 —— 它和我们之前见过的齿轮很不一样。它的顶部有一个形状规整的齿轮，可以用来转动这个轮。
擒纵叉本身是金属做的，但注意它末端那两个淡粉色的透明部件。这些是用合成红宝石做成的宝石。这种化合物不仅非常硬、能防止磨损，而且它与钢之间的摩擦系数很低。我们来看看为什么这些特性很重要 —— 观察这两个部件是如何相互作用的：
擒纵轮想要朝红色箭头所指的方向转动。擒纵叉阻止了这个运动，但当我们让那个擒纵叉来回摆动时，我们就让擒纵轮得以短暂地从那座牢笼里逃脱（escape），随即又被再次拦住。
我们过几段会看到这个相互作用的细节，但现在，这套机构让我们仅仅通过把擒纵叉从一边拨到另一边，就能控制擒纵轮的转动。我们来看看这些部件如何嵌进整套结构的其余部分。（原文此处是一段演示：我已经替你把发条上好了，所以发条盒通过齿轮系，最终在试图转动擒纵轮；你可以用两个按钮来切换擒纵叉的位置。）
主发条想通过转动擒纵轮来释放，但擒纵叉只允许这件事发生极短的一瞬。由于齿轮减速，发条盒的转动几乎看不出来。不过，如果你观察装在第四轮上的那根指针，就能看到它随着你来回摆动擒纵叉而轻轻转动。
这套小小的计时机构现在差不多能用了。这里剩下的最后一个部件，是一个能让擒纵叉自动来回摆动的装置。但是，要让表准确计时，这个摆动动作必须以恰当的节奏发生。这就轮到摆轮游丝（balance）登场了 —— 它构成了一块表跳动的心脏。
摆轮游丝
我们把之前见过的第一根扭力弹簧调出来 —— 回想一下，一旦你把它从原始位置扭转开，它就会来回摆动，过一会儿才停下来：
我们可以通过调节两个参数来控制这种周期性运动的速率。第一个是弹簧的刚度，它主要取决于弹簧的高度、厚度和长度，以及它的材质。第二个是质量及其分布 —— 更准确地说，是弹簧所转动的那个物体的转动惯量（moment of inertia）。当更多的质量被放在离转轴更远的地方时，转动惯量就会增大。（原文此处可同时调节弹簧的刚度和所连质量的转动惯量，看这两个参数如何影响转动的周期。）
通过仔细调校这两个参数，我们就能让这个系统以期望的速率振荡。这种“扭力弹簧 + 所连质量”的思路，正是机械表用作精确计时来源的东西。摆轮游丝由连在游丝（balance spring）上的摆轮（balance wheel）构成。在这块表里，摆轮以相当高的频率来回振荡：
在摆轮的底面，你会找到另一颗淡粉色的透明宝石，叫做圆盘宝石（jewel roller）。这个零件虽小，却非常重要 —— 当摆轮转动时，这颗宝石会撞击擒纵叉的另一端，进而推动擒纵叉来回摆动。我们先来看一个摆轮与其他部件相互作用的总览。（原文此处可用滑块把整个过程放慢。）
我们来近距离看看这个相互作用，因为它值得更仔细地端详。（原文此处可在时间轴上来回拖动，看到所有动作逐帧发生。）整个过程的顺序是：摆轮正在朝回摆；圆盘宝石撞上擒纵叉，把它从原位上敲开；擒纵轮解锁，推动擒纵叉上的那颗宝石；擒纵叉推动圆盘宝石和摆轮；擒纵轮再次锁住；摆轮继续它的摆动。
当摆轮摆动时，圆盘宝石撞上擒纵叉，使擒纵轮解锁。一旦解锁，由主发条驱动的擒纵轮便推动擒纵叉，后者再通过圆盘宝石反过来推动摆轮本身。这让摆轮获得了一些能量，使它不至于过一会儿就停下来 —— 这相当于给一个荡秋千的人推上一把。当摆轮摆回来时，它会做同样的动作，只是方向相反。
你可能还注意到了擒纵叉末端的小角和摆轮上那个带缺口的圆盘之间一段微妙的共舞。这些部件确保擒纵叉只能在恰当的时机换边 —— 这是一个安全机制，防止表在被摇晃或跌落时卡死：
一旦擒纵叉让擒纵轮解锁，那个轮就得开始飞快地旋转。这就是为什么齿轮系里的齿轮上都开了孔 —— 这能减小它们的转动惯量，好让发条盒能更快地把它们加速起来。
还有一点也很重要：齿轮系不仅提高了齿轮的转速，也减小了作用在摆轮游丝上的力。发条盒本身转动起来颇为有力，但到了擒纵轮那里，扭矩已经被大大削减，这就防止了擒纵轮以过猛的力道去推擒纵叉、进而推摆轮。
我们最后再把目前为止造好的整个东西看一遍。我现在让这套机构以它正常的速度运转：
在这块机芯里，摆轮每秒完成四次完整的来回摆动，每个周期撞击擒纵叉两次，合计每秒 8 次振动（beat），即每小时 28,800 次振动。不同的表可能有不同的频率，但它们都让秒针每秒钟做许多次微小的转动，这就给了机械表那种指针运动极为顺滑的错觉。
原则上，我们手头这些零件已经足够让表运转起来了，但我们还缺几个细节。更重要的是，我们一直只是把零件悬在空中，是时候开始正经地组装一整套机芯了。
主夹板
我们从主夹板（mainplate）开始，它构成机芯的主体：
注意它上面有非常多不同的开孔 —— 我们会在这篇文章结束前把它们一一填满。那些粉色的元件又是红宝石做的宝石。它们构成轴承，各个部件的转轴在里面转动。我们来近距离看一颗简单的宝石：
注意一颗宝石上有一个小小的凹槽。为了进一步减少转动部件的能量损耗，会在那个凹槽里放上少量特制的油。这种油会附着在宝石和在它里面转动的轴上，进一步降低摩擦，让表上一次发条能走得更久，同时也减少那些精密机械部件的磨损。
我们要装到主夹板上的头两个部件是擒纵轮和擒纵叉：
然后在擒纵叉之上盖一块擒纵叉夹板（pallet fork bridge）。这块夹板托住擒纵叉转轴的另一端，并用两颗螺丝固定在主夹板上：
注意在这块表里，擒纵叉的左右摆动幅度受到擒纵叉夹板中央那两个凸块形状的限制：
这确保了擒纵轮只能把擒纵叉推到一定程度，再往前运动就被这两个凸块从物理上挡住了。
接下来，我们可以把齿轮系的其余部分装进去。四个轮都被巧妙地安排得只占用很小的空间：
注意第四轮直接穿过表的中心 —— 你能看到它的轴从另一面探出来。组装到最后，我们会在那根长轴的末端装上一根秒针。为了把所有元件固定到位，我们盖上一块轮系夹板（train wheel bridge），它为所有转动部件的轴的另一端提供了安放之处。这块夹板用螺丝拧在主夹板上，把一切固定住：
最初那套机构里，我们还没装上的、唯一剩下的部件就是摆轮游丝了，它自成一个小小的组件。我们先把所有零件装到摆轮夹板（balance bridge）上，把它搭起来：
注意游丝非常纤细，摆轮最终会把它撑开。正因为它如此纤细，这根游丝在英文里常被叫作 hairspring（发丝弹簧）。黄色和青色的部件都用来调节摆轮游丝的行为。我们来看看它们实际是怎么工作的：
黄色部件牢牢地连在游丝上，转动它们，我们就能调整摆轮及其圆盘宝石的静止位置。这确保了摆轮摆动的“嘀”和“嗒”两个阶段所花的时间相同。
青色部件可以在游丝上自由滑动，但它们会减小或增大游丝的有效长度，因为它们阻止了游丝尾段的自由振荡。通过调整这些青色部件的位置，我们就能改变单次振动的时长，让表走得稍快或稍慢。这种速度调节还能用顶部的螺丝来微调 —— 它的螺帽不是居中的，所以拧动它时会轻轻转动那个小小的青色叉。
游丝由像 Nivarox 这样的特殊合金制成，这种合金能让弹簧的刚度不随温度变化，从而提升整体的计时精度。
摆轮游丝组件的最后一部分是防震机构，它由外壳、两颗宝石和一根固定一切的微型弹簧构成：
这套机构保护摆轴（balance shaft）脆弱的尖端，使其在表遭遇突然的猛烈晃动时不致折断。我们来看看当摆轴被猛烈摇晃时，这些零件是如何协同工作的：
当表被摇晃时，轴的运动被弹簧吸收，类似于汽车的悬挂系统。如果晃动非常剧烈，那么摆轴上更粗、更结实的部分就会通过外壳承担载荷，从而保护脆弱的尖端不被折断。
我们把整个摆轮游丝组件装到目前为止造好的机芯其余部分上。注意摆轮轴的另一端也搁在嵌入主夹板的防震宝石上：
完成这最后一步，我们其实就已经把之前看到的、悬在空中的那套表芯核心重新搭建完毕了。不过，你可能还记得，我把“如何确保主发条保持上紧状态”这个小细节一笔带过了。我们来看看，如果真的试着用条轴给表上发条会发生什么。为了看得清楚，我还在发条盒顶部切了个孔，让你能看到里面的弹簧：
只要条轴被按住，主发条就能为表的其余部分提供动力 —— 你能看到装在表另一面第四轮上的秒针在转动。然而，一旦我们放开条轴，主发条就找到了一条释放张力的捷径，直接把条轴反着转回去 —— 弹簧迅速失去了它储存的全部能量，表就停了。
为了防止主发条自行松开，我们需要约束条轴，让它不能逆时针转动，但仍然允许顺时针转动，这样我们才能给弹簧上紧。这个看似复杂的问题，由一个非常简单、叫做棘爪（click）的机构解决 —— 我们来看看它是怎么工作的。
棘爪
为了接着往下组装，我们首先得打下一块坚实的地基，也就是发条盒夹板（barrel bridge）—— 它把发条盒固定到位，并为其他零件提供支撑结构。由于这块夹板会让某些区域变得无法触及，我们还要顺手装上一根小杠杆，稍后再回来说它：
接着，我们把棘轮（ratchet wheel）用螺丝拧到条轴上。注意棘轮有一个方形的开孔，正好对应条轴顶部的方形：
这两个相互匹配的方形，会让棘轮转动时带着条轴一起转。为了看得清楚，我暂时把螺丝取掉了：
接下来是这道谜题的三个关键部件。首先，我们把那个小小的棘爪放进发条盒夹板顶部的开孔里：
在它有限的活动范围内，棘爪可以绕着它的小轴来回转动：
谜题的第二块是一根棘爪弹簧（click spring）。这一小片金属很有弹性。当我们捏住它时，它一心想弹回来：
我们把那根棘爪弹簧稍微压紧一点，也把它放进发条盒夹板里：
注意，当我们试着转动棘爪时，一松手，棘爪弹簧就会把它推回原位：
谜题的最后一块是冠状轮（crown wheel），它同样落在发条盒夹板上。它用一颗左旋螺纹的螺丝固定在原位 —— 和大多数普通螺丝不同，这颗螺丝是朝逆时针方向拧紧的：
注意冠状轮的齿是如何与棘轮相互作用的。虽然看起来冠状轮像是每隔一个齿就缺了一个，但这两个齿轮仍然能啮合并协同工作。冠状轮上的那些缺口，让棘爪上的小柱子得以落进冠状轮的齿与齿之间。
如果我们逆时针转动冠状轮，它就会与棘轮啮合，给弹簧上紧。注意冠状轮的齿最终是怎么把棘爪推开的，但一旦有了点空隙，它又会弹回来：
当棘爪弹回来撞上冠状轮时，会发出一声咔嗒（click）声，这就是它名字的由来。
冠状轮的逆时针转动让我们得以给主发条上紧，那我们来看看，试着朝相反方向转动它会发生什么。（原文此处是一段模拟：注意冠状轮的齿是如何与棘爪卡住、从而阻止冠状轮转动的。）
这套简单的机构让我们能够通过转动冠状轮来给主发条上紧。（原文此处可亲自上手操作。）棘爪还防止了主发条自行松开 —— 这就是为什么你没法把滑块拖回去，除非重启整个模拟。
表另一面的秒针展示了秒是如何被记录的，但一块能用的表还应该显示分和时。我们来看看这块机芯是如何用一组齿轮 —— 也就是所谓的传动机构（motion works）—— 来达成这些目标的。
传动机构
在我们这块机芯里，秒针被巧妙地装在了动力系统的第四轮上，因为那个轮以很高的精度每分钟转一圈。为了让分针以正确的速度转动，我们需要某根轴以比它慢 60 倍的速度转动。所幸，这块机芯的设计者用了一个巧妙的办法，从其他齿轮那里借来了一部分减速。
如果你仔细看，会发现表另一面第三轮的那个小齿轮，通过一个小开孔露了出来。我们可以在表的中心装上一个带驱动轮的筒状小齿轮（cannon pinion），让那个驱动轮与那个小齿轮啮合：
当那个第三轮转动时，它带动驱动轮、进而带动筒状小齿轮。把分针装在那个筒状小齿轮上，我们就能记录流逝的分钟 —— 所有参与的齿轮的齿数都经过精心计算，以达成相对秒针减速 60 倍的目标。
（原文此处是一段演示，展示能正常工作的秒针和分针：滑块让你能控制时间流逝的速度，这样你就不必太有耐心地干等指针改变位置了。）
时针本身需要比分针慢 12 倍地转动，但我们用两个额外的齿轮就能轻松做到。中间的分轮（minute wheel）与筒状小齿轮啮合，而时轮（hour wheel）与那个分轮的小齿轮啮合：
时轮能在筒状小齿轮上松松地转动，这样两者就能彼此独立地转动。把时针装在那个时轮上，我们就能完成驱动表针这套机构的组装了。我还装上了一个标着十二个小时刻度的表盘（dial）—— 它真正让我们能读出指针所指示的时间：
计时是每一块表最根本的功能，但许多设备会在此之外，添加各种被称为复杂功能（complications）的附加特性。我们这块机芯虽不算精密，但它仍有一个不错的复杂功能，能在表盘右侧那个小窗口里显示当前是几号。我们来看看这个功能是怎么实现的。
日历
这块表里的日历机构由四个主要部件构成 —— 跳簧（jumper spring）、指示齿轮（indicator gear）、带齿轮的日历跳板（date jumper plate），以及那个印着全部 31 天的大日历环：
为了讲清楚这套机构是怎么工作的，我先把所有无关的零件藏起来。我还会把指示齿轮的盖子取掉，露出藏在它里面的一根小扭力弹簧。我们来看看当时轮转动时，这些零件是如何协同工作的。（原文此处可用滑块在时间里来回拨动。）
当时轮转动时，它带动日历跳板里的齿轮。那个齿轮的另一面接着带动指示齿轮和连在它上面的扭力弹簧。那根弹簧钩住日历环上的一个齿并被绷紧，但到某个点上，它会开始把日历环往前推。当环转得足够多时，跳簧便迅速地把环弹到下一个位置。
你可能会纳闷，我们一开始为什么需要这么复杂的机构。有人可能会天真地以为，我们可以直接把日历环的转动和时轮的转动绑在一起，就像我们让时轮与分钟同步转动那样，只不过速度更慢。可惜，这会让当前的日期在表盘那个小窗口下面持续不断地转动，让人很难看清。（原文此处的演示左侧可以看到这种表现。）
在右侧，你能看到由我们刚刚造好的那套机构驱动的日历指示 —— 日期只在午夜前后才变。你可能已经意识到，我们这块机芯的日历追踪并不怎么聪明。这块表每个月都一律按 31 天来数，所以遇到比较短的月份之后，我们得手动把日期往前拨一天。此外，如果表已经有一阵子没走了，时间本身可能也设得不对。我们需要找到一个办法，来调整表上的日期和时间。
所幸，驱动分针、时针和日历指示的齿轮全都连在一起，所以我们只需转动一个齿轮就能调整一切。为了看得清楚，我暂时把时轮藏起来：
注意，当我们转动分轮时，只有筒状小齿轮在转。那个小齿轮紧紧地嵌在它的驱动齿轮里 —— 通常它会随那个齿轮一起转。然而，当驱动齿轮因为被齿轮系的其余部分挡住而无法转动时，筒状小齿轮就能盖过这种紧配合的摩擦，自己单独转动。这让我们能够设置时间，而不去干扰齿轮系 —— 否则可能会弄坏那些精密的零件。
装上时轮后，转动分轮也会设置小时，而且，如果你把那个齿轮转得够久，还会设置日期：
我们的表每走一步都更完整了，但前路上仍有几处不便。要改时间、要给主发条上发条，我们都得转动机芯内部的齿轮，而这些齿轮通常是安全地藏在表壳里面的。
此外，每逢一个不足 31 天的月份，我们目前都得去拨一下时间设置，因为那是调整日期的唯一办法。理想情况下，我们该找到一个办法，把日期和时间分开来设置。
为了解决这些问题，我们要组装无钥上弦机构（keyless works），它能让我们一举化解所有这些麻烦。
无钥上弦机构
首先，我们来看看表冠（crown）—— 操作这块表的主要接口 —— 以及连在表冠上的柄轴（stem）：
表冠松松地坐在表的外侧，由用户直接触碰。注意柄轴的一部分是方形横截面。柄轴上还带着两个额外的部件 —— 上弦小齿轮（winding pinion）和滑动小齿轮（sliding pinion）。我们先把它们套上去，看看是怎么配合的：
上弦小齿轮有一个圆形的开孔，所以它能在柄轴上轻松转动。然而，滑动小齿轮的开孔是方形的，与柄轴上方形那一段对齐。这种方形的互锁，使得滑动小齿轮会随着表冠转动而跟着柄轴一起转：
我们把这些零件放进主组件里。为了不碍事，我暂时把日历环取掉了：
注意上弦小齿轮与表另一面的冠状轮啮合。要真正转动上弦小齿轮，我们得先把滑动小齿轮一路推向它 —— 我用下面的蓝色箭头来象征这股推力。如果我们现在转动表冠，上弦小齿轮和滑动小齿轮相邻表面那相互匹配的形状，就会让它们互锁起来。最终，我们便能通过顺时针转动表冠来转动冠状轮以及主发条上弦机构的其余部分：
然而，如果我们朝另一个方向转动表冠，相邻表面的形状会把滑动小齿轮推开，因为冠状轮、进而上弦小齿轮，都没法朝相反方向转动。这个安全机制确保了，无论你朝“错误”方向多用力地转表冠，都不会弄坏机芯。
看起来我们似乎已经达成了“只需转动表冠就能给弹簧上紧”的目标。可惜，我们还有一个小问题要解决 —— 我们需要某个东西来真正施加那股把滑动小齿轮推向上弦小齿轮的力。
此外，在某些情况下，我们希望表冠的转动能服务于不同的目的。除了给主发条上弦，在我们这块表里，我们还想能够调整日期，以及单独地调整时间。我们将通过把表冠拉出、推入来选择这三个动作中的每一个。
我们来造一套能解决这些问题的机构。首先，我们把校正杆（corrector lever）和拉档（setting lever）装到位：
如果我们现在把表冠拉出、推入，这些零件就会绕着它们的小枢轴转动，彼此之间有一套相当复杂的相互作用：
有其他零件挡着，可能很难看清在发生什么，所以我们单独来看这几个部件。（原文此处可用滑块把表冠拉出、推入，注意其中精巧的互锁。）
柄轴上的一道凹槽最终会与拉档上的一个小柱子锁在一起，使拉档随着表冠被拉动而转动。拉档上的另一个小柱子最终会推动并钩住校正杆，让它也跟着转动。
到目前为止这套机构还没做什么有意思的事，所以我们在校正杆上面装上拨轮（setting wheel）：
那个轮能在它的柱子上自由活动。如果我们现在把表冠拉出、推入，就能看到拨轮与传动机构啮合上了：
转动那个拨轮，我们就能设置表上的时间，但要转动那个轮，我们得把滑动小齿轮滑向它，这样表冠的转动和连着的滑动小齿轮才能转动拨轮：
这带来一个挑战 —— 我们需要控制滑动小齿轮的位置，以便根据不同的模式，要么去啮合上弦小齿轮给主发条上弦，要么去啮合拨轮来设置时间。这就轮到离合杆（yoke）登场了：
在下面的特写里你能看到，离合杆嵌进滑动小齿轮上的凹槽里，所以当离合杆绕着它的枢轴转动时，它会把滑动小齿轮推进、推出，让它滑动。此外，当我们拉动表冠时，离合杆本身又被拉档推动：
这套小机构我们差不多搞定了，只需把一些小细节收个尾。首先，我们想把所有脆弱的零件固定在原位 —— 眼下没有任何东西能阻止它们从精心安放的位置上掉下来。其次，当我们拉动表冠时，它的运动中没有任何明显的卡位 —— 转动表冠时我们可能会不小心改变当前的模式。最后，当我们把表冠一路推到底、切回上弦模式时，我们希望离合杆能可靠地回到它的初始位置。这就轮到拉档簧（setting lever jumper）登场了 —— 它一举服务于以上三个目的：
那个零件用螺丝拧在主夹板上，防止其他零件掉出来。它那些大大小小的臂和脚也帮着把零件们压住。我们来看看拉档簧是如何帮我们解决另外两个问题的。注意我用灰色箭头指出的那三道小凹槽：
当我们把表冠拉出、推入时，拉档上的小柱子最终会卡进那三个位置中的某一个。要在这几道凹槽之间跳动，那个小柱子就得把拉档簧的长臂掰弯，由此产生的张力会把那个小柱子推进最近的凹槽里。我们最终得到了三个明确的位置，所有零件都能稳稳地停在其中之一 —— 一旦锁定，我们就能可靠地转动表冠，而不必担心不小心改变了当前的模式。
最后，在拉档簧的另一端，我们还有一段细薄的部分，它被绷紧着抵住离合杆 —— 我用一个灰色箭头指出它的位置：
当离合杆转动时，那片有弹性的金属一心想把离合杆转回来。当表冠处于日期或时间设置模式时，拉档会阻止离合杆回来，但一旦我们切回上弦模式，拉档簧里的那股弹力就会把离合杆转回去，使滑动小齿轮也跟着退回原位。
这里其实还有一个巧妙的小设计，一直明摆着藏在眼前。如果你还记得，在开始处理上弦机构之前，我们就在主夹板上装了一根小杠杆。那根杠杆短的一头嵌进滑动小齿轮的凹槽里。当我们拉动表冠、移动滑动小齿轮时，那根杠杆就转动：
当转到底时，那根杠杆会蹭住摆轮、阻止它运动 —— 这就让表停了下来。于是，当我们把表冠一路拉出、进入时间设置模式时，那根停止杆（stop lever）便挡住摆轮，以一个叫做停秒（hacking）的动作让表停下。这让我们能够设置时间，而秒针不会在同时自顾自地走动，从而有助于更精确地校准时间。
我们把所有参与的零件都装到位，最后再把这整套机构的功能看一遍。当表冠被一路推到底时，它的转动会带动滑动小齿轮，后者转动上弦小齿轮，再带动冠状轮，最后带动棘轮给主发条上弦：
当表冠被一路拉出时，它的转动会带动滑动小齿轮、拨轮，进而带动分轮、时轮和隐藏的筒状小齿轮，让我们得以设置时间：
最后，当表冠被推到大约一半的位置时，我们就进入了日期设置模式，但要看它工作，我们还得装上一个额外的、嵌进主夹板小凹槽里的日历校正器（date corrector）：
注意日历校正器能在那道凹槽里自由地上下滑动。如果我们现在把表冠拉到中间位置并转动它，最终就会转动那个日历校正器，它随即能与日历环内侧的齿啮合。日历跳簧确保我们把日历环锁定在一个有效的位置上：
就我个人而言，我觉得这整套被称为无钥上弦机构的东西是一个真正的机械奇迹。这些精巧的相互作用平衡得如此之好，每个零件都身兼数职。早先的怀表是用一把单独的钥匙来上弦的，表冠只用来设置时间，但现代的表不靠上弦钥匙也能搞定，这就解释了无钥（keyless）这个名字。仅靠几个精心成形的零件和一个表冠，我们就能控制表的各种设置。在继续往下之前，我们用分轮系夹板（minute train bridge）把剩下的零件固定住：
我们离造好整套机芯只差一点了。我们要组装的最后一个部件，会让表在我们四处走动时自动给自己上弦。
自动上弦
当佩戴者一整天挥动手臂时，那块表在空间中的朝向会变化相当大。哪怕只是悠闲地散个步，表相对于地面也会轻微摆动。通常，用于移动表的所有能量都白白浪费掉了，但自动上弦机构设法捕获了其中一部分，用来给主发条上弦。
我们先通过把整套自动上弦机构装到表上，来理解它的核心思路。它最主要的部件是那个能绕中心自由转动的摆陀（weight）。当那个摆陀转动时，它带动一组齿轮，其中最后一个连到棘轮上，而棘轮用来给藏在发条盒里的主发条上弦：
摆陀能自由转动这一点在这里至关重要。（原文此处是一段演示：你可以拖动整块表、让它在空间里转动，看看摆陀会发生什么。重力朝向本网站的下方 —— 它总是把摆陀往下拉，使它相对于表的其余部分转动。）
如果你还记得我们关于上弦的讨论，你或许记得棘轮只能朝一个方向转动，棘爪阻止了主发条自行松开。然而，摆陀能来回摆动，按理说，任何连到那个摆陀上的齿轮系统也都会朝两个方向转动。
如果你单看自动上弦机构本身，会看到一件不寻常的事 —— 当你用滑块来回转动摆陀时，输出齿轮却只朝一个方向转。我在那个齿轮上点了一个小小的黑点，方便看清：
为了理解这是怎么做到的，我们先来看看这套机构里涉及的所有零件：
绿色齿轮直接连在摆陀的底部，所以当摆陀转动时，那个齿轮会转动黄色齿轮底面的两个蓝色齿轮。这套结构的大部分都和我们之前见过的、由夹板固定的齿轮类似。不过，你可能已经猜到，成双成对的黄色和蓝色齿轮才是这里魔法的关键所在。我们来看看它们是怎么构造的：
蓝色齿轮能在黄色齿轮上自由转动，而那些鱼形的杠杆也能穿过蓝色齿轮上的孔、绕着它们的轴转动。注意黄色齿轮的内部有一个特别的形状。（原文此处是一段演示：我把蓝色齿轮中央的大部分去掉了，好让你看清里面在发生什么；你可以用滑块来回转动那个齿轮，看零件如何相互作用。）
注意当你逆时针转动蓝色齿轮时，那些杠杆只是从黄色齿轮的内部滑过。然而，当你顺时针转动蓝色齿轮时，其中一根杠杆会被卡住，开始带着黄色齿轮一起转。这个巧妙的机构只朝一个方向把动力从蓝色齿轮传给黄色齿轮。
自动上弦组件包含两个这样的齿轮 —— 一个在顺时针转动时驱动输出齿轮，另一个在逆时针转动时驱动那个齿轮。（原文此处是一段演示：你可以看到转动连在摆陀上的那个齿轮时会发生什么。为了便于观察，我把所有不起作用的零件都去掉了。）
注意，只有当一对黄色和蓝色齿轮正在把动力从摆陀齿轮直接传给输出齿轮时，我才把它高亮出来。每次只有一对是激活的 —— 另一对要么空转，要么充当一个中间环节来改变转动方向，以确保输出齿轮总是朝着给弹簧上弦的方向转。
注意输出齿轮相对于连在摆陀上的那个齿轮只转了一点点，所以要把主发条完全上满，得挥动好多次手臂。不过，在一整天的过程里，自动上弦机构通常能确保主发条保持上紧。
一切的尺寸
到目前为止的所有例子里，我们都享受着在相当大的放大倍率下观察这些零件的舒适，但在下面这最后一个演示里，你终于能看到所有部件有多么微小了。（原文此处可拖动滑块来改变观察的尺寸。）
环绕着表的那个圆角矩形，对应一张信用卡的大小 —— 如果你手边正好有一张，可以把它放到屏幕上，拖动滑块，直到那张卡正好嵌进那个轮廓里。但愿这能真切地让你感受到，我们谈论过的所有零件有多么小。
延伸观看与阅读
有许多 YouTube 频道专门讲机械表，但我特别喜欢 Wristwatch Revival，它专门修理坏掉的表，这往往涉及把一整套机芯彻底拆解，再修复或更换损坏的零件。虽然作者并非专业制表师，但视频信息量很大，看起来也非常享受。
George Daniels 写的 《Watchmaking》 是一本专讲如何从零制作手表的书。虽然鲜有人会真的踏上这段旅程，但这本书也讲解了设计一套机芯及其零件时所需的诸多考量。书中许多页都配有相当专业的技术插图，帮助阐释那些概念。
结语
20 世纪 70 年代，机械表开始被石英表赶下王座，后者靠电子方式计数石英晶体的振动来记录时间。随着技术进步，典型的表只是越来越依赖数字电路。现代那些智能化身，只在外形和戴在手腕上这一点上还像它们的原型。
机械表不如数字表精确。它们需要保养，也更脆弱。尽管有这么多缺点，这些设备却展现出一种真正的工程造诣。凭借对微型齿轮、杠杆和弹簧的创造性运用，一块机械表从它沉睡的零件中苏醒，变得真正鲜活起来。