月相功能結(jié)構(gòu)探索

張巖

自古以來，月亮的存在是啟迪了人類對(duì)自然、對(duì)科學(xué)的發(fā)展，沒有比觀測(cè)月亮堅(jiān)持得更久的事了，最早的科學(xué)如歷法、數(shù)學(xué)、農(nóng)業(yè)學(xué)、航海學(xué)更不用說天文學(xué)，這些科學(xué)的研究，都離不開月亮的幫助。月亮固定的周期，以及反射的柔和的太陽光，給了人類一個(gè)恒古不變的參照物。但同時(shí)，月亮更是一種能夠寄托人類情懷的圖騰式的存在，而這種精神境界的延續(xù)也正是現(xiàn)在月相表存在的價(jià)值和意義。

到底什么才是月相呢？月相是指天文學(xué)中對(duì)于地球上看到的月球被太陽照明部分的稱呼。月球繞地球運(yùn)動(dòng)，使太陽、地球、月球三者的相對(duì)位置在一個(gè)月中有規(guī)律地變動(dòng)。因?yàn)樵虑虮旧聿话l(fā)光，且不透明，月球可見發(fā)亮部分是反射太陽光的部分。只有月球直接被太陽照射的部分才能反射太陽光。我們從不同的角度上看到月球被太陽直接照射的部分，這就是月相的來源。月相不是由于地球遮住太陽所造成的（這是月食），而是由于我們只能看到月球上被太陽照到發(fā)光的那一部分所造成的，其陰影部分是月球自己的陰暗面，月球靠反射陽光發(fā)亮，由于日、地、月三者位置不斷發(fā)生變化，從地球上看來月相便出現(xiàn)了盈虧的變化，人們通常將盈虧的過程分為四類。如圖所示，朔：又稱新月，在位置1，日月黃經(jīng)差為0°，這時(shí)月球位于地球和太陽之間，以黑暗面朝向地球，且與太陽幾乎同時(shí)出沒，故地面上無法見到，這就是朔，這一天為農(nóng)歷的初一。上弦月：月球繼續(xù)朝前旋轉(zhuǎn)，到了農(nóng)歷初七、八，也就是圖中的位置3，黃經(jīng)差為90°，太陽落山，月球已經(jīng)在頭頂，到了半夜，月球才落下去，這時(shí)被太陽照亮的月球，恰好有一半給你看到，稱之為“上弦月”。滿月：到了農(nóng)歷十五、十六，月球轉(zhuǎn)到地球的另一面，也就是圖中的位置5，黃經(jīng)差為180°。這時(shí)地球在太陽和月亮的中間，月球被太陽照亮的那一半正好對(duì)著地球，此時(shí)我們看到的是滿月，或稱之為“望”。由于月球正好在太陽的對(duì)面故太陽在西邊落下，月球則從東邊升起，到了月球落下，太陽又從東邊上升了，一輪明月整夜可見。下弦月：滿月以后，月球升起的時(shí)間一天比一天遲了，月球亮的部分也一天比一天看到的小了，到了農(nóng)歷二十三，也就是圖中的位置7，黃經(jīng)差270°。滿月虧去了一半，這時(shí)的半月只在下半夜出現(xiàn)于東半天空中，這就是“下弦”?？斓皆碌椎臅r(shí)候，月球又將旋轉(zhuǎn)到地球和太陽中間，在日出之前不久，殘?jiān)虏庞钟蓶|方升起。到了下月初一，又是朔，開始新的循環(huán)。

既然月相的變化是按照一定規(guī)律進(jìn)行的，那么，就可以通過齒輪的傳動(dòng)關(guān)系將月相的變化以各種各樣的方式呈現(xiàn)在手表之上，月相的傳動(dòng)原理與日歷機(jī)構(gòu)基本一致，月相與日歷都是以公歷為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，日歷是每31天一個(gè)周期，所以日歷輪是31個(gè)齒，而根據(jù)29.5天周期的理論（月相盈虧每29.5天為一周期的平均值，由于月亮的精確旋轉(zhuǎn)周期是28天12小時(shí)44分2.9秒，因此每隔大約33個(gè)月，月相顯示的誤差就會(huì)達(dá)到24小時(shí)），月相的運(yùn)動(dòng)方式是每59天完成兩個(gè)周期，這樣的月相盤上有兩個(gè)月亮，邊緣有59個(gè)齒，月相輪在受到傳動(dòng)輪的推動(dòng)后，每天向前推進(jìn)一齒，此時(shí)月相盈虧的變化便能適時(shí)顯現(xiàn)在表盤上了。

然而，59齒的月相運(yùn)動(dòng)周期與真實(shí)月相的運(yùn)動(dòng)周期相比每月相差44分2.8秒，大約相當(dāng)于0.03059天，累積下來，大約33個(gè)月就會(huì)相差1天，此時(shí)就必須通過手動(dòng)調(diào)整月相輪的位置才可恢復(fù)它與實(shí)際月相的誤差。為了從根本上提升月相顯示的精度，135齒的月相盤應(yīng)運(yùn)而生，它將實(shí)際朔望月周期的誤差縮小到每月不到1分鐘，這樣每122年才會(huì)出現(xiàn)1天的誤差。在此基礎(chǔ)上如果想進(jìn)一步減小誤差，就不能僅僅通過增加月相輪的齒數(shù)來實(shí)現(xiàn)了，目前精度最高的月相表采用了一套擁有特殊傳動(dòng)比例的齒輪，會(huì)在彈簧的帶動(dòng)下，緩緩拉動(dòng)月相盤運(yùn)轉(zhuǎn)，每個(gè)正月的誤差僅為6.61秒。只有經(jīng)過1058年的累積，累積誤差才會(huì)達(dá)到24小時(shí)，因此杜絕了傳統(tǒng)月相技術(shù)所帶來的33個(gè)月慢24小時(shí)的誤差。

雖然從精度上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了千年月相，但是卻依舊保持著傳統(tǒng)的表現(xiàn)方式，即窗口式，其常常被放置在一個(gè)特殊形狀的半圓的窗口內(nèi)，這個(gè)特定形狀包括一個(gè)半圓弧和兩個(gè)小圓弧。這個(gè)精心設(shè)計(jì)的形狀與月相盤上的月亮結(jié)合，能比較準(zhǔn)確地告訴我們?cè)铝猎谝粋€(gè)周期開始或結(jié)束時(shí)的形狀。月相盤轉(zhuǎn)動(dòng)而窗口圓弧則保持靜止，圓弧起到了現(xiàn)實(shí)中陰影的作用。

同樣使用平面結(jié)構(gòu)顯示，若保持月亮靜止而陰影按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，在更小的空間內(nèi)，也可以實(shí)現(xiàn)月相變的效果，這樣的設(shè)計(jì)更貼近現(xiàn)實(shí)月相中陰影與月亮的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

平面布局能夠大大降低軸向空間的使用，很容易以附加結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn)在任何手表上，因此被廣泛應(yīng)用于高檔手表的設(shè)計(jì)中。但是平面月相卻存在著不可避免的設(shè)計(jì)難題，即其無法顯示如真實(shí)月相般同樣的形象，某一個(gè)月相變化周期中，自15日起至29日止，除去滿月期，由于結(jié)構(gòu)限制，平面設(shè)計(jì)無法形象的表現(xiàn)出真實(shí)月相的狀態(tài)，其形式往往類似月食的形象，貽笑大方。因此要實(shí)現(xiàn)真實(shí)月相的具象化，就需要全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，立體月相應(yīng)運(yùn)而生。

立體月相顧名思義，其使用的是球體來表現(xiàn)月相的變化，球體深色的一半用來表示陰影，而另外一半亮色則表示明亮的月亮，其通過一套錐齒輪將原本垂直于表盤面轉(zhuǎn)動(dòng)的月相顯示元件改變?yōu)槠叫杏诒肀P面直線為軸的另外一種運(yùn)動(dòng)方式，從而使球體能夠像真實(shí)月亮般把現(xiàn)實(shí)中的月相顯現(xiàn)出來。雖然立體結(jié)構(gòu)能夠更真實(shí)，但是由于球體本身的特性，軸向上需要占據(jù)相對(duì)更大的空間，但是要保證機(jī)芯的整體厚度，往往不得不將此結(jié)構(gòu)至于機(jī)芯輪廓外部或在機(jī)芯設(shè)計(jì)初始階段就根據(jù)其特性在平面布局時(shí)加以考量。由此，雖然立體月相結(jié)構(gòu)更加真實(shí)，但很難應(yīng)用于現(xiàn)有基礎(chǔ)機(jī)芯上，除非在外觀上做出更大的讓步。同時(shí)立體月相也有其局限性，月相顯示效果受觀看角度的影響會(huì)有很大變化，如果觀者不是垂直與表盤觀看，而是傾向一定的角度觀看時(shí)，觀看到的球體顯示出的月相影像會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

月相的產(chǎn)生本就是太陽光在月球上的反射，依據(jù)日、地、月三者不同的位置關(guān)系改變而變化，是大自然的光影“魔術(shù)”。那么根據(jù)光傳播的原理，將凸透鏡的折射特性引入月相結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)中算是相當(dāng)有新意的。如下圖所示，將印有陰影圖案的滾筒置于具有特定折射率的透鏡下方，由于半球體透鏡的折射率會(huì)根據(jù)透鏡的薄厚發(fā)生變化，即光線在透鏡中不同位置的傳播方向發(fā)生的改變也不同，僅當(dāng)光線通過半球體透鏡中心時(shí)即使發(fā)生折射率的變化，也會(huì)因其投影在同一直線上而產(chǎn)生陰影變化，而這樣的月相變化，更貼近于現(xiàn)實(shí)中的月相變化。

現(xiàn)在用于手表中的月相表現(xiàn)形式，無論從精度，還是表現(xiàn)形式上，已經(jīng)是各具特點(diǎn)，各有所長(zhǎng)，但人們追求完美的心卻是無止境的，在月相上的研究也會(huì)繼續(xù)發(fā)展下去，畢竟從觀測(cè)者所處地理位置的不同月相也是不同的，這不僅僅是南北半球顛倒月相結(jié)構(gòu)那么簡(jiǎn)單，歸根到底起決定作用的還是維度的變化，如何將維度影響應(yīng)用于月相顯示結(jié)構(gòu)中，將是一個(gè)新的課題。