共振的定義與基本條件
共振(Resonance)是自然科學中相當常見的物理現象,當一個系統的振動頻率受到與其自然頻率相近的外力作用時,能量將有效累積,使振幅顯著放大。日常生活中可見其例,例如樂器共鳴箱的強化音效、地震引發建築物特定頻率震盪,乃至推動鞦韆時抓準節奏施力,皆屬共振機制的實例。
在鐘錶擒縱結構中,擺輪與游絲組成一個自振系統,其運作方式類似簡諧振盪器。每次擒縱釋放推力,即為週期性脈衝,提供持續驅動,維持穩定振盪。此振盪頻率通常設計為 3 Hz 或 4 Hz,對整體走時精度有決定性影響。
若將兩組獨立振盪系統(即兩枚擺輪)相互靠近,並建立有效的能量傳遞通道,例如共用底板或藉由柔性連接件連結游絲端點,便有可能產生耦合共振效應。這意味著兩者可透過微小能量交換達到同步,進而提升系統整體穩定性。
然而,要達成共振狀態,並非僅靠機械排列即可。兩枚擺輪的固有頻率需極度接近(誤差需控制於 ±數秒/日內),其安裝方式、阻尼條件與結構對稱性亦必須調校得宜,否則訊號將無法有效耦合。更進一步,系統中的耗散不可過高,否則能量無法順利交換;反之若耦合過強,也可能導致干擾放大。能否在微觀尺寸中精準控制這些物理變數,正是共振機制能否穩定運作的核心難題。
歷史脈絡中的共振實驗
17 世紀,荷蘭科學家惠更斯(Christiaan Huygens)首先觀察到共振現象。他發現兩座懸掛於同一橫樑的擺鐘,即便最初擺動頻率不同,最終仍會自然同步,方向相反。他推論,這是因為橫樑本身微弱震動成為能量交換媒介。此觀察成為後來共振機構設計的起點。
進入 18 世紀末,法國製錶師安提德・詹維耶(Antide Janvier)與寶璣(Abraham-Louis Breguet)分別在座鐘與懷錶中實作雙擺輪共振設計,並透過氣流屏蔽、真空腔體、不同方位安裝等方式驗證共振持續性。寶璣觀察到,在擺輪安裝於相同主機板、距離足夠接近時,可形成穩定共振,即使在無氣流環境下依然成立。這些研究成為現代共振腕錶發展的理論依據。
根據現存於法國國立工藝博物館(CNAM)的 Breguet No. 2667 與 No. 2788 共振懷錶,兩枚擺輪裝置確實可在恆定動力輸入下維持長時間同步振盪,其誤差甚至可低於當時天文台標準。這些實驗表明,共振機構除了是科學觀察結果外,更可透過嚴謹結構設計轉化為穩定實用的走時工具。其前提,是製錶師能精準控制微小公差、阻尼環境與能量傳遞邊界條件。
當代製錶的三種實作方式(F.P. Journe、Armin Strom、Haldimann)
進入 21 世紀,F.P. Journe 為最早將共振理論導入現代腕錶設計者之一。2000 年推出的 Chronomètre à Résonance,採用兩套獨立發條、輪系、擺輪及擒縱組,並安裝於同一主機板上,以板材提供耦合通道。Journe 認為,只要兩擺輪日差誤差控制在 ±5 秒內,即能進入共振並提高走時穩定度。其後版本更導入Remontoir d’égalité(恆定動力裝置),進一步確保動力分配對稱與連續性。
另一路徑則由 Armin Strom 探索。2016 年推出 Mirrored Force Resonance,搭載 ARF21 機芯,改採一條物理連接兩組游絲末端的專利離合彈簧(Resonance Clutch Spring)。該彈簧呈對稱蝴蝶狀,固定於兩側橋板,當一擺輪受外力微幅變化時,彈簧可將能量傳導至另一側擺輪,達成更快速的自我修正。此設計容許更大誤差範圍(可達 ±250 秒/日),幾分鐘內即可進入共振狀態,並於 2020 年獲 GPHG 技術創新類別提名。該彈簧的擺動狀態可在共振啟動後以肉眼觀察,其形變與擺輪之間的動態連動,也讓佩戴者能視覺辨識共振是否已成功啟動,兼具技術與展示功能。
除上述兩者,值得一提的還有 Haldimann H2 Flying Resonance,此作於 2005 年推出,結合中央飛行陀飛輪與共振機構,採用隱藏式共振耦合彈簧連接兩組懸浮擺輪,並以中央固定結構強化對稱運作與穩定性。其雙擺輪浮懸於空、無固定橋板,營造出極致「飛行」視覺美感,僅限量手工製作。
共振擒縱機構的價值與當代意義
共振腕錶的核心並非追求絕對走時精度,而是強化系統的穩定性與一致性。兩枚擺輪一旦進入共振狀態,當其中一枚受外力干擾產生微幅偏移時,另一枚可透過耦合機制將其拉回,形成自我修正。這種特性特別有助於減緩姿勢變化、溫度波動或動能不均所造成的日差起伏。
然而,要實現這項設計,代表著機芯結構需承載兩套完整機制,零件數與組裝難度大幅提升。即使在現代製錶技術條件下,能夠同時完成共振精度與穩定生產的品牌仍屬極少數。
與其他高複雜功能(如陀飛輪、三問報時)相比,共振腕錶的美感不在聲光效果,而在於其靜態結構中的邏輯與節奏。這些作品將物理知識與工藝能力推向極限,在機械系統中重現宇宙定律,是當代製錶界極具文化價值的一種探索方向。
●品牌:ARMIN STROM
●錶名:Armin Strom Mirrored Force Resonance 冰藍色腕錶
●功能:時、分、雙秒針指示;共振雙擒縱機構
●機芯:ARF21手上鍊機芯
●材質:不鏽鋼
●錶徑:43mm
●厚度:11.55mm
●防水:30米
●定價:NT$ 3,250,000/每年限量 15 枚
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