本文选自华语圈最专业的钟表杂志时间·艺术2014年1月·增刊
原文标题：擒纵机构的前世今生
撰文：周蓉
擒纵机构是机械钟表中一种传递能量的开关装置。从字面上就很好理解擒纵机构在机械钟表中所扮演的角色：“一擒，一纵；一收，一放；一开，一关”，擒纵机构将原动系统提供的能量定期地传递给摆轮游丝系统使其不停地振动，并把摆轮游丝系统的振动次数传递给指示系统来达到计时的目的。因此，擒纵机构的性能将直接影响机械手表的走时精度。
擒纵机构的起源现已很难考据。13世纪的法国艺术家Villard de Honnecourt就已发明出擒纵机构的雏形，这个仪器看上去是一个计时装置，但走时不精确。随后的几百多年，迎来了机械钟表的“黄金时代”，大约有300多种擒纵机构被发明出来，但只有10多种经受住了时间的考验。
前世
机轴擒纵机构
是最早已知的机械擒纵机构
机轴擒纵机构Verge escapement
机轴擒纵机构简易示意图
机轴擒纵机构是最早已知的机械擒纵机构，又被称为冠状轮擒纵机构（crown wheel escapement）。很遗憾，究竟是谁发明的机轴擒纵机构，它的第一次“亮相”又是何时，都已不可考证，但它似乎与机械钟表的开端有着密不可分的关系。从14世纪以来，机轴擒纵机构被应用于钟表中约达400年之久。18世纪瑞士天文台表制造师Ferdinand Berthoud曾在其书《时间测量史（History of the Measurement of Time）》中这样评价机轴擒纵机构：尽管发明了无数种擒纵机构，但要说用于日常普通的手表中，还是机轴擒纵机构最好。
机轴擒纵机构中的擒纵轮形似西方王冠，故称冠状轮（有些机轴擒纵机构的冠状轮是水平的，而有些则是垂直的），冠状轮的锯齿形轮齿向轴突出，前面是一根竖直的机轴，机轴上有两片呈一定角度的擒纵叉，运行时，冠状轮上的一个轮齿能与一片擒纵叉相咬合。
机轴擒纵机构模型
16世纪末期，意大利物理学家伽利略注意到教堂里悬挂的那些长明灯被风吹后，有规律地摆动，他按着自己脉搏的跳动来计时，发现它们往复运动的时间总是相等，由此发现了摆的等时性。1657年，荷兰物理学家惠更斯根据伽利略的发现将钟摆引入了时钟，制作出了摆钟。
钟摆与机轴呈垂直方向。冠状轮旋转时，轮齿推动其中一片擒纵叉，转动起机轴以及与其相连的摆杆，并推动第二片擒纵叉进入齿道中，直到轮齿推动第一片擒纵叉，如此往复。加入了钟摆之后，钟摆有规律的摆动使得机轴擒纵机构中的擒纵轮是以恒定的速率向前移动。机轴擒纵机构的优点是就是不需要加油，也不需要很精细的制作工艺；而缺点就是，每一次齿轮与擒纵叉咬合时，摆杆形成反作用力，推动冠状轮向后一小段距离（回退）。
惠更斯制作的搭载了机轴擒纵机构的摆钟，惠更斯称其精准度每日可在10秒以内
冠状轮上的轮齿数必须为奇数，通常两片擒纵叉之间的夹角为90°-105°，从而使钟摆的摆角为80°-100°。为了减少钟摆的摆动，增加等时性，法国人将擒纵叉之间的角度加大到115°。这样钟摆的摆角为50°左右，减少回退。但机轴需要被安装得离冠状轮非常近，因此轮齿与擒纵叉相碰时离轴很近，减少了杠杆作用，增加了摩擦力，造成擒纵机构的磨损以及走时的不精确。
到了19世纪后期，逐渐开始流行轻薄款怀表，冠状轮都做得很小，因此磨损效果被放大，上紧发条时，钟表会运行得非常快，每天都会走快好几小时，因此机轴擒纵机构成为最不准确的擒纵机构，渐渐被其他擒纵机构所取代。
交叉节拍式擒纵机构Cross-beat escapement
交叉节拍式擒纵机构的仰视图和侧视图
在钟摆被运用到早期的机轴擒纵机构之前，交叉节拍式擒纵机构的发明满足了天文学家们对时钟精准度日益严苛的要求。在西方技术史上，一个机械的技术问题经过一系列改进被解决之后，通常之前的机械（即使是设计非常精巧的机械）很快就会被遗忘。交叉节拍式擒纵机构就是这样一个长期被遗忘的机械装置。事实上，交叉节拍式擒纵机构在西方机械钟表发展史上的地位不容忽视。
瑞士制表师、天文学家Jost Bürgi于16世纪所制造的钟搭载了交叉节拍式擒纵机构
交叉节拍式擒纵机构的发明者和首位制造者是瑞士的制表师、天文学家Jost Bürgi（1552-1632）。他将机轴擒纵机构中的单一摆杆改良成双摆杆。随着这种恒动装置的发明，将机械钟的精确度提高了两个数量级，并使时钟每天误差率保持在一分钟之内。
双摆擒纵机构Two-pendulum escapement
搭载了双摆擒纵机构的剪刀式座钟
还有其他一些擒纵机构用双摆代替了单摆。一种是将双摆直接装在两个柄轴末端，每个柄轴的另外一段则各装有一个擒纵叉以及一片异形齿轮。两个钟摆反方向摆动，并一前一后接收到能量。这种双摆擒纵机构是由法国制表师Jean Baptiste Dutertre发明的。
左：法国制表师Jean Baptiste Dutertre发明的双摆擒纵机构右：惠更斯为了增加钟摆的等时性，在钟摆的两侧加入了金属质的弧形物C和C’
另一种双摆擒纵机构，虽然有两个钟摆，但只有一个摆锤。通过一个双擒纵叉接收能量，摆线曲线（cycloidal curves）则被用来校正摆动持续时产生的不等性。在钟表中，圆形摆轮所产生的效果没有比调节杆或调节轴更好，因此迫切需要发明一些其他的调节系统。
有两个钟摆，但只有一个摆锤的双摆擒纵机构
Hautefeuille神父用猪鬃毛将擒纵叉和摆轮连接起来，制造出一种弹性机制。尽管结果并不完美，但这是一个绝妙的主意。之后猪鬃毛被替换成一根笔直的有弹性的游丝，接着笔直的游丝演变成了像蛇一样盘绕。英国著名的制表师Harrison又做了两处的修改，给擒纵叉增加了弧度。另一处则是增加了一个作用类似于摆线曲线的零件，与钟摆相连。
锚式擒纵机构Anchor escapement
锚式擒纵机构模型
由英国博物学家Robert Hooke于1660年左右发明的锚式擒纵机构迅速地取代机轴擒纵机构，成为19世纪摆钟所使用的标准擒纵机构。比起机轴擒纵机构，其钟摆的摆角减少了3-6°，增加等时性，而且其更长、移动更慢的钟摆消耗更少的能量。锚式擒纵机构大多数用于狭长型的摆钟里，尤其是老爷钟。
锚式擒纵机构的擒纵轮齿是后斜形的（与擒纵轮旋转的方向相反）
锚式擒纵机构由尖齿型的擒纵轮以及一个锚状轴组成。锚状轴与钟摆连接，从一边摆动到另一边。锚状轴两臂上的一个擒纵叉离开擒纵轮，释放出一个轮齿，擒纵轮旋转并且另一边的轮齿“抓住”另一个擒纵叉，推动擒纵轮。钟摆的动力继续将第二个擒纵叉推向擒纵轮，推动擒纵轮向后一段距离，直到钟摆向反方向摆动并且擒纵叉开始离开擒纵轮，轮齿沿其表面滑动，将其推动。
19世纪后期的钟里面所搭载的锚式擒纵机构
锚式擒纵机构的机械操作与机轴擒纵机构有相似之处，有两个缺点：1.整个运行周期，钟摆不断被擒纵轮齿推动，而不是自由摆动，这扰乱了等时性；2.锚式擒纵机构是回退式的擒纵机构，在运行周期中，锚状轴会推动擒纵轮向后退，增加了钟表齿轮的磨损，致使走时不准确。这也会导致擒纵轮齿戳到擒纵叉表面。所以锚式擒纵机构的擒纵轮齿是后斜形的（与擒纵轮旋转的方向相反），而擒纵叉的表面稍稍凸起，以防止轮齿戳到擒纵叉表面。后斜形的擒纵轮齿还能作为安全装置。如果钟表被移动，钟摆则不固定，其不受控制的摆动可能导致擒纵叉与擒纵轮猛烈碰撞。倾斜的轮齿确保了擒纵叉的扁平面先撞到轮齿的边，保护易损的齿尖免于被撞坏。锚式擒纵机构的两个缺点在直进式擒纵机构中得以解决。在精密钟表中，直进式擒纵机构慢慢取代了锚式擒纵机构。
直进式擒纵机构Deadbeat escapement
直进式擒纵机构模型
直进式擒纵机构是在锚式擒纵机构的基础上进行改进，通常被错认为是英国制表师George Graham在1715年左右发明的，但其实在1675年天文学家Richard Towneley就已发明出直进式擒纵机构，而Graham的师傅Thomas Tompion是第一位使用直进式擒纵机构的人，他为Jonaoore爵士制作的钟表就使用了这种擒纵机构。Graham只是将这种擒纵机构推广开来。
在锚式擒纵机构中，钟摆的摆动会在其运行周期内的一段时间内推动擒纵轮向后。这种回退式的擒纵机构扰乱钟摆的运动，造成走时不准确，并且逆转了齿轮转动的方向，对整个系统造成高负荷，加大了摩擦和磨损。直进式擒纵机构的最大优势就是消除了回退。
直进式擒纵机构的擒纵轮齿是前倾式的（与擒纵轮旋转的方向一致）
在直进式擒纵机构中，擒纵叉上有弧形的锁面，与锚状轴同轴转动。当钟摆摆动到至高点，擒纵轮上的尖齿紧靠着锁面，力直接传递给锚状轴的旋转轴，不给钟摆提供任何冲击，确保了钟摆自由摆动，防止了反冲力。当钟摆摆动到靠近底部时，尖齿滑出锁面，滑进冲面，在擒纵叉释放齿轮前，给钟摆一个推力。这是第一个将擒纵行为中“锁定”和“冲击”分开来的擒纵机构。相对于锚式擒纵机构中后斜式的擒纵轮齿，直进式擒纵机构的擒纵轮齿是前倾式的（与擒纵轮旋转的方向一致），确保轮齿与擒纵叉的锁面接触，防止回退。
直进式擒纵机构起先被运用于精密的天文钟内，由于其精准度更高，于19世纪取代了锚式擒纵机构。除了塔钟常用重力擒纵机构外，几乎所有的现代摆钟都采用直进式擒纵机构。
销子轮式擒纵机构Pin wheel escapement
销子轮式擒纵机构示意图
销子轮式擒纵机构由Louis Amant于1741年左右发明，属于直进式擒纵机构的一种。擒纵轮齿不是尖齿形，而是圆销式的，擒纵叉也不是锚状的，而是剪刀式的。在实践中发现“切割”锁面时只会产生非常小的反冲力。这种擒纵机构，也被叫做Amant擒纵机构，在德国则被称为Mannhardt擒纵机构，经常被用于塔钟中。
销子轮式擒纵机构细节图
冲击式天文台擒纵机构Detent escapement
Thomas Earnshaw冲击式天文台擒纵机构模型“Ecole d’ Horlogerie d’ Anet”，大约制作于1920年
冲击式天文台擒纵机构，是一种自由式擒纵机构，最常用于航海天文钟，在18世纪和19世纪的一些精密钟表内也使用这种擒纵机构。
冲击式天文台擒纵机构由四个主要部分组成：擒纵轮，冲击圆盘，解锁圆盘和制动器。不同的制动器将冲击式天文台擒纵机构分为两种：转动回弹式（pivoted detent）和弹片回弹式（spring detent）。转动回弹式是法国制表师Pierre Le Roy于1748年发明，他将制动器安装在转动轴上。制动器棘爪将擒纵轮锁定并带回原位，而这个机械臂后来被一根固定在金属板上的弹簧，或者是一根安装在转轴上扁平的螺旋弹簧替代。弹片回弹式的制动器和弹簧是呈一体的。弹簧的弹性使得通过将锁定臂带到一边而解锁擒纵轮，并且之后将锁定臂带回原位。弹片回弹式擒纵机构是英国制表师John Arnold设计的。英国制表师Thomas Earnshaw之后在Arnold设计的基础上进行了修改。他将带齿轮的擒纵轮变成平滑的擒纵轮，还改变了锁定时压力的方向。
古怀表的冲击式天文台机芯结构
因为冲击式天文台擒纵机构只接受到一个震荡脉冲，并且不需要上油，擒纵轮齿和擒纵叉之间的滑动摩擦由此减少，所以冲击式天文台擒纵机构比起杠杆擒纵机构更精准。但装置于怀表里的冲击式天文台擒纵机构极其脆弱，不能自启动，并且难以量产。在这方面，杠杆式擒纵机构有很大的优势。英国制表师John Arnold是第一个将双层游丝使用在冲击式天文台擒纵机构中的人。根据此项技术优势，Arnold的钟表能将误差率保持在每日1至2秒内。到了现代各家也都有尝试改良冲击式天文台擒纵机构，将其应用于腕表中，就像AUDEMARS PIGUET（爱彼）独家擒纵机构（后文有所介绍），Urban Jürgensen & Sønner也在其手动版Chronometer P8表中借鉴了冲击式天文台擒纵机构。
美国制表师Thomas Earnshaw设计的冲击式天文台擒纵机构示意图
复式擒纵机构Duplex escapement
复式擒纵机构模型
1700年左右，英国博物学家Robert Hooke发明了复式擒纵机构。随后，Jean Baptiste Dutertre和Pierre Le Roy加以改良，直到1782年，Thomas Tyrer完成最后设计，并申请到专利。在Tyrer的专利中描述的是一个“带有两个轮子的”擒纵机构。之后的几年内，其他人装置制作的则是由一个单轮和两套轮齿组成的擒纵机构，也许这是为了规避专利的方式。然而，使用单轮也有可能是出于技术原因，因为单轮具有较小的惯性。复式擒纵机构很难制造，但比红宝石工字轮擒纵机构的性能更好。它被应用于1790年至1860年间高品质的英国怀表中。
复式擒纵机构示意图：A.擒纵轮，B.锁定齿，C.脉冲齿，D.擒纵叉瓦，E.红宝石滚轴
复式擒纵机构与冲击式天文台擒纵机构有很多相似之处，摆轮只在两个振幅中接受一个脉冲。擒纵轮有两套轮齿（因此叫做“复式”），长的锁定齿从擒纵轮的边缘突出，短的脉冲齿从顶部向轴方向竖起。锁定齿靠上红宝石滚轴，运动周期开始。当摆轮逆时针摆动通过其中心位置时，红宝石滚轴上的槽口释放轮齿。当擒纵轮转动时，擒纵叉正好处于能从脉冲齿接受推力的位置。当摆轮完成其周期时，下一个锁定齿下落到红宝石滚轴上并且停留在那里，然后摆轮顺时针摆回来，重复上述过程。摆轮顺时针摆动时，脉冲齿又会马上落入到红宝石滚轴的缺口，但不会被释放。
复式擒纵机构是非自由式擒纵机构，摆轮不会脱离擒纵轮，因为轮齿紧靠着滚轴。因为擒纵叉和脉冲齿几乎平行运转，很少有滑动摩擦，所以很少需要润滑。但是复式擒纵机构对冲击力很敏感，如果在摆轮顺时针摆动时突然受到震动，那就不能再启动。
工字轮擒纵机构Cylinder escapement
工字轮擒纵机构示意图
1695年，英国制表师Thomas Tompion发明工字轮擒纵机构。1720年左右，Tompion的继任者George Graham对此加以改进，其擒纵轮齿的形状类似于中国的“工”字，因此得名。
搭载了工字轮擒纵机构的宝玑Repetition à Ponts怀表，于1816年售予Landerdale爵士
工字轮擒纵机构主要由工字轮（擒纵轮）和圆柱轮（摆轮）组成。工字轮一般有15个轮齿。当工字擒纵轮的轮齿撞击圆柱的套管，它靠在套管表面上，直到摆轮游丝的作用使其朝圆柱的凸缘方向移动，轮齿的冲面开始给摆轮动力。工字轮擒纵机构不容易制造，有些脆弱，擒纵轮与摆轮一直接触容易导致磨损，所以要定期保养。
蚱蜢擒纵机构Grasshopper escapement
搭载了蚱蜢擒纵机构的钟
18世纪，英国制表大师John Harrison发明的蚱蜢擒纵机构是一种罕见而有趣的擒纵机构。当时，确定经度位置对于海上航行是一大难题。古代的海船只能沿着海岸线走，否则等待船员的就是死亡。牛顿提出可用天文定位来解决问题，但是Harrison却独树一帜，大胆利用机械方法解决问题。地球每二十四小时自转一周，这一周也就是三百六十度。于是，每个小时就相当于经度的十五度。只要知道两地的时间差异，就可以知道两者之间的经度差了。这样，经度的确定就转换成另外一个问题：如何测定两地的时间差。海船行驶中，船员可以利用太阳或其他天体的位置来确定当时的时间。如果知道那时某基点的正确时间，那就能确定出海船的经度位置了。于是，Harrison四十年如一日地潜心制作了后来被称作“精密时计”的完美计时器。
John Harrison制造的航海钟H1的现代复刻版
在这个擒纵机构中，钟摆是由两个蚱蜢爪形状的擒纵叉驱动，两个擒纵叉的尾端稍重，这样它们能自然倾斜，离开擒纵轮。第一个擒纵叉离开擒纵轮的齿道，第二个擒纵叉给钟摆动力。第一擒纵叉停止工作，回到原位，钟摆被第二个擒纵叉推动到最低位置，第一个擒纵叉再次卡出擒纵轮。它被钟摆摆动的摆势驱动碰到擒纵轮，将其稍稍向后拖动。于是擒纵轮释放了第二个擒纵叉，给钟摆传递动力的任务又回到了第一个擒纵叉那里。蚱蜢爪形状的擒纵叉的运动比起传统的擒纵机构所涉及的滑动摩擦少得多，因此它不需要润滑，磨损很少，所以Harrison最早是用木头做成擒纵叉。Harrison后来将擒纵的设计修改成一个擒纵叉“拉”而不是“推”擒纵轮，并在转臂下方加了个钩状物与擒纵轮接触。
与当时的其他擒纵机构相比，蚱蜢擒纵机构里的钟摆受外力驱使摆动，而非自由摆动。这扰乱了钟摆作为谐振子的自然运动。由于差不多同一时间，George Graham推广了直进式擒纵机构，消除了这一问题。简单实用的直进式擒纵机构变成了精密时钟的擒纵机构。
蚱蜢擒纵机构没有被广泛使用，John Harrison将其应用于他的航海钟H1、H2和H3中，还有一些标准钟使用蚱蜢擒纵机构，但是，Harrison的钻研以及探索精神影响至今。
重力擒纵机构Gravity escapement
左：双重三星轮重力擒纵机构示意图右：四脚重力擒纵机构示意图
重力擒纵机构的擒纵轮发出的脉冲并不是直接传给钟摆，而是通过两个介质，通常是安装在两个摆臂上的擒纵叉瓦，擒纵叉瓦由擒纵轮交替抬起，下落时震荡钟摆。重力擒纵机构有四脚重力擒纵机构（four-legged gravity escapement）、双重三星轮重力擒纵机构（double three-legged gravity escapement）等。
剑桥大学三一学院搭载了双重三星轮重力擒纵机构的钟
四脚重力擒纵机构是由四只“脚”（或者可以称之为轮齿）组成，轮齿的轮轴上每一面都有四个销钉，共八个销钉。摆臂尽可能地贴着钟摆摆动的中心点摆动。当摆臂摆动时，擒纵叉瓦将释放擒纵轮的轮齿。每条摆臂上都有一个停止装置，可以让擒纵轮的轮齿交替停止。当钟摆向右侧摆动时，轮齿会释放右摆臂的停止装置，让擒纵轮转动，直到轮齿碰到了左摆臂上的停止装置，同时擒纵轮上的销钉与左擒纵叉的尾端相碰，并举起摆臂。在此期间，右摆臂与钟摆向右摆动，但右摆臂落回的过程中，擒纵叉瓦会被擒纵轮上的销钉停止。显而易见，摆臂随着钟摆落下的角度要大于其被钟摆抬起的角度，这个运行过程中的差异提供给钟摆脉冲。
剑桥大学三一学院钟楼外观
双重三星轮重力擒纵机构是由两个擒纵轮（分为前轮和后轮）组成，每个擒纵轮上有三个轮齿，轮齿的轮轴上则装有三个销钉。擒纵叉瓦在擒纵轮之间运转。每个摆臂上都有一个停止装置。轮齿之间呈60度角。其运行原理与四脚重力擒纵机构相类似。搁在停止装置的前轮轮齿被摆动的钟摆释放，擒纵轮旋转，抬起左擒纵叉瓦，直至后轮的轮齿碰到停止装置。然而，右摆臂继续被钟摆抬起，随后跟随钟摆落下，并给予钟摆动力，直到被一个销钉止住，只有当钟摆释放了后轮，才会再次被抬起。
