化溫差為動能 空氣鐘永動600年

文章日期:2021年10月05日

【明報專訊】一個機械鐘,既不用電池也毋須上發條,卻能夠無間運作?難道是科幻小說中的「永動機器」構思?永動機器在理論上並不可能實現,但早在90多年前的鐘表工程師,已想到利用溫度和氣體體積的變化關係,將不可能變成可能,製作出Atmos空氣鐘。

機械表通常分自動上鏈和手動上鏈兩大類。當中自動上鏈的原理,是在機芯加上一個可轉動的自動擺陀,當腕表戴在手腕,擺陀會因為地心吸力而轉動,帶動相關齒輪組為發條上鏈,提供動能。但尺寸較大的機械鐘,一般而言都擺放在固定位置,自然不能以擺陀形式自動上鏈,「自動鐘」幾乎不可能存在。不過,人類總是喜歡挑戰不可能。來自瑞士Neuchâtel的鐘表工程師Jean-Léon Reutter,在1928年註冊了一個根據氣體狀態原理設計的機制;Jaeger-LeCoultre再根據此技術研發,4年後製作出能「自動上鏈」的Atmos空氣鐘。

氣體熱脹冷縮 化成上鏈動能

在中學的物理課中,大家或聽過能量守恆定律(law of conservation of energy)。簡單來說,就是一個獨立系統的總能量會保持不變,能量不能無故生成,也不能無故摧毁。一個完全不用外力而能夠不斷運作的機器,理論上不可能存在,因為現實中機器運作時一定會消耗能量,部分變成熱能流失到四周。當能量愈來愈少,機器便會停止運作。

Atmos空氣鐘的設計就像是一個反向思考。既然能量很多時會以熱能的方式流失到周圍環境,那可否反過來,轉變周圍環境的熱能,成為機械鐘發條的動力?要如何控制熱能像人手一樣轉動發條,工程師想到利用氣體熱脹冷縮的原理。氣體的體積、溫度、壓力(氣壓)的關係,都可根據理想氣體定律(Ideal gas law)計算。在此定律中,當壓力(氣壓)不變,溫度上升時氣體體積會增加,溫度下降時則會減少。

雖然Atmos中文名為空氣鐘,但在內裏的並非日常呼吸的空氣。機芯背面設有一密封罩,內裏儲存了一種混合氣體(含有氯乙烷C2H5Cl ),對溫度變化相當敏感,當溫度升降時,氣體會隨之熱脹冷縮,密封罩亦會跟隨氣體體積的改變,像手風琴風箱一樣膨脹或收縮,從而牽動連接的小鏈條為空氣鐘上鏈。Jaeger-LeCoultre產品設計總監Lionel Favre表示:「整個系統最令人讚歎的是,上鏈機制的敏感度極高。當溫度在15至30℃之間,每1℃的變化也足以保證機芯長達2天的動力儲存。」

6000萬空氣鐘能量 才點亮15瓦特燈泡

由於空氣鐘自行產生的能量十分有限,因此鐘內構造必須符合節能的高標準。Lionel Favre解釋:「為了減少能源消耗,機芯是在完全無潤滑油的環境下運作,因為齒輪上的潤滑油帶來極微小的摩擦,也足以讓整個機械裝置停擺。」他補充,Atmos可算是Jaeger-LeCoultre製作的最大型機械,但它消耗的能量遠低於同由品牌製作、世界最細的101型機械機芯(約14×4.8×3.4毫米)。「Atmos運作需要的能量大約是一枚機械腕表的1/240。要6000萬座空氣鐘的所需能量加起來,才能勉強點亮1枚15瓦特的電燈泡!」而相比起腕表或其他機械鐘,空氣鐘的平衡擺輪以十分緩慢沉穩的步調擺動,每分鐘僅左右擺動1次,即傳統坐鐘的1/60、一般機械腕表的1/14,400,能量消耗低得多。

「空氣鐘結構的能量很小,要加上複雜功能非常困難。但在1990年,我們製作出加入月相顯示的Atmos Vendome空氣鐘;到2003年,為慶祝設計面世75周年,我們製作出神秘鐘的款式,機芯零件被巧妙隱藏,表盤好像浮空一樣;2019年面世的Atmos Transparente(主圖),鐘殼則用上防反光玻璃,讓大家在任何角度也完全欣賞到內裏的機械設計。」Lionel表示,Atmos Classique經典空氣鐘、Atmos by Marc Newson空氣鐘等,均採用透明鐘殼設計,內裏的氣體密封罩清晰可見。雖然氣體的膨脹與收縮緩慢,肉眼難以覺察,但在這一收一放之間,卻能為機械鐘「充電」,令人感覺更神奇。

空氣鐘預期壽命可達600年。Lionel指出,Atmos之所以能實現,是因為內裏儲存了與其他空間隔絕的氣體,並通常放置在穩定的空間,要將同樣的原理和設計應用到腕表是很大挑戰。

「跟腕表不同,Atmos更像是讓我們放慢腳步看遠一點,不止是顯示一分一秒,更可以不斷運作一個時代甚至一個世紀。」他預告品牌將在今年推出新Atmos,加上一些全新設計,大家可密切留意。

文:張曉冬

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編輯:梁小玲

美術:謝偉豪

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