從「鐘」的演化史看見絕妙的齒輪工藝世界│《電腦簡史》 齒輪時代(十一)

科技與時俱進,當世代交替之時,便會發現古人發明仍出現問題缺口,如水鐘無法在寒冬運行,因此後代工匠,改良水鐘,以重力取代水力。正所謂「青出於藍」,「鐘」的演化史,不僅發展成多功能性,更增加便攜性,讓世人能夠普遍使用。而齒輪工藝在巨人的肩膀上,發展更是蒸蒸日上……

本文為系列文章,上一篇請見:劃破黑暗時代,十字軍東征為歐洲文明傳遞知識聖火│《電腦簡史》 齒輪時代(十)

當重力機械鐘取代水力機械鐘……

如果你於十三世紀初漫步在歐洲鄉間,可能會看到巨大的風車緩緩轉動,帶動石磨輾磨穀物,或是在溪旁看到水車引水灌溉農田;走到城堡,你或許會看到升降城門與護城河橋的機械裝置。但除了這類構造簡單的大型機械,就沒有其它複雜一點的齒輪裝置了。像在伊斯蘭世界已經相當成熟的機械水鐘和自動機器,此時在歐洲都還不見蹤影。

要到十三世紀中葉之後,歐洲才開始出現機械水鐘。因為直到阿拉伯文書籍翻譯成拉丁文之後,古希臘以降的齒輪技術才終於傳入歐洲。初期歐洲的工匠只是仿照書中的設計打造水鐘,但很快地,他們就著手加以改良,其中最大的技術突破在於動力機制。原本水鐘是靠流水和水車推動,新的機械鐘則是改用沙袋之類的砝碼,藉由砝碼垂直落下轉動輪軸,同時輔以擒縱裝置,大幅提升時鐘的準確性。(基本原理請見此篇末段)

新的重力機械鐘不但在計時上比水鐘更準確,也不會像水鐘那樣受天寒地凍影響,因此沒有天候和地理位置的限制。更重要的是,建造的成本更低、時間更短,平時運作所需的維護人力也更少,於是重力機械鐘很快就全面取代了機械水鐘。

冬季時,水易結凍,而使水鐘的運行受阻。圖\pixabay

教會成為重力天文鐘的推手

十四世紀初,重力機械鐘開始在歐洲各地出現,但大多安裝於教堂或修道院的鐘樓。為什麼是教堂或修道院?一方面是除了宮廷和貴族,民間也只有教會才有這樣的財力,蓋得起鐘樓;另一方面則是鐘樓對教會有實質上的效益。按照律規,修道院的修士必須嚴格遵守一定的作息時間,而高高的鐘樓不但可以讓每個人清楚看見時間,自動報時的功能還能主動提醒大家何時起床、何時禱告、何時就寢等等,極為方便。

除了給修道院內部使用,有了鐘樓之後,附近居民的日常作息,也都會改以上面的時間做為參考依據,這無形中又更加強化教會做為指導者的角色。既然鐘樓有這麼多效益,各地教會自然紛紛蓋起鐘樓。

隨著鐘樓的需求逐漸增加,越來越多人投身於機械鐘的設計與製造,齒輪的工藝技術也因此日益精進;教會無心插柳地成為齒輪技術的重要推手。同時,教士也從古希臘與阿拉伯學者的著作中,掌握了天文知識,自然也希望將鐘樓進一步升級為天文鐘。

1327 年,英國聖奧本斯修道院長理查 (Richard of Wallingford) 設計了一款天文鐘,是目前所知最早的機械天文鐘。它除了報時,也能顯示天體的運行、預測月食,而且還會預報倫敦橋的高水位時間,比以往的水力天文鐘還更勝一籌。

英國聖奧本斯修道院長理查 (Richard of Wallingford) 為機械天文鐘的發明者。圖\wikipedia

麻雀雖小,五臟俱全,天文鐘也開始走向「迷你輕奢風」

機械鐘在升級為天文鐘的同時,另一方面也朝著小型化發展。十四世紀中葉,義大利天文學家喬凡尼 (Giovanni de’ Dondi) 設計了一款天文鐘,功能齊全,卻只有一米高。這座天文鐘的外型是七面體,下半部完全鏤空,除了一個二十四小時制的時鐘,還有一個環狀的年曆,上頭標示一年三百六十五天的日期、晝夜長短與重要節日;動力來源是放置於底部的小型滑輪與砝碼。天文鐘在上半部,七面各有一個直徑三十公分的圓形鐘面,配上不同指針,分別代表太陽(連同主要星座)、月亮與五大行星,顯示它們在天空的位置。

為了更符合實際的行星軌道,喬凡尼使用許多特殊的齒輪。例如形狀並非一般常見的圓形,而是接近橢圓形的卵形齒輪;還有在一片齒輪上,竟然輪齒大小各異,或是輪齒間距並不均等。這座「七面鐘」一共用了一百零七個大小齒輪,卻能做成這麼小,其中一個關鍵零件就是平衡輪。平衡輪用以取代以往的擺桿機軸擒縱裝置,不但尺寸較小,耗損的能量也更少,多虧這項發明,機械鐘日後才能進展到可隨身攜帶的懷錶。

義大利天文學家喬凡尼 (Giovanni de’ Dondi) 設計的天文鐘,功能齊全,卻只有一米高。圖\wikipedia

除了改用平衡輪取代擒縱裝置,還必須擺脫砝碼與滑輪,機械鐘才能縮小化,而這意謂著必須採用全然不同的動力機制。結果解決方案來自於看似與時鐘完全無關的東西——鎖。 1400 年左右,鎖匠開始在鎖的內部加裝彈簧;而早期許多鐘錶師傅原本就是鎖匠,於是不知何時開始,某個鐘錶匠將彈簧改造為發條,做為機械鐘的動力機制,成功以扭力取代重力,打造出懷錶。

以歷史文獻而言,懷錶最早可能在1460年代就出現了。義大利鐘錶匠曼弗雷第 (Bartholomew Manfredi) 於 1462 年寫的一封信中,說要幫朋友做一只更好的「懷鐘」 (pocket clock) 。只不過信裡除此之外,沒有其它任何描述。因此若以保存至今最古老的懷錶而言,是德國的亨萊因 (Peter Henlein) 於 1505 年所製的懷錶。但它的外觀還不是後來懷錶常見的扁平狀,而是直徑約 4.5 公分的金屬小圓球,打開上半部才能看的裡面的指針。

發條的發明除了催生出懷錶,也將另一種齒輪裝置推升到更高的境地,那就是——機械玩偶。


重力機械鐘基本原理:

懸吊著砝碼的繩索纏繞於輪軸上,砝碼往下掉時,繩索也被拉著往下而轉動輪軸,帶動齒輪組運轉。在此同時,擒縱裝置的垂直機軸也跟著扭轉,機軸上方的平衡桿因慣性而來回轉動,就像轉動竹蜻蜓那樣。擒縱裝置上的摯板便一抓一放地,讓冠狀齒輪每次只轉動一齒,使得時鐘的運轉週期更為穩定。

重力機械鐘原理示意圖。圖\《從水輪秤漏裝置談古中國機械鐘》林聰益,南台科技大學機械系

關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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