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高海拔、低氣壓:為什麼您的機械錶在高山上會失準

機械錶機芯的擺輪與齒輪系

機械錶的擺輪每秒擺動四次,一天接近七十萬次往復,每一次擺動都要從一種人們因其透明而忽略的流體中掙得。擺輪推開空氣,帶動一部分空氣隨之運動,再任其回落,然後周而復始。在海邊,沒有人會在意這件事。但在聖母峰頂,大氣壓力只有布雷斯特(Brest)的三分之一,這個問題就變得合情合理:機械錶在高海拔地區究竟會發生什麼變化?

論壇和一些線上計算器上流傳的答案勝在簡單:每上升一千公尺,就會快多少秒,彷彿計時器遵循的是一條比例算式。實驗室得出的結論則有趣得多,也沒有那麼讓人安心。


EPFL、Asulab 與擺輪帶動的空氣

在 EPFL 的流體力學與不穩定性實驗室,François Gallaire 教授與 Swatch Group 研究部門 Asulab 的 Thierry Hessler 共同進行了一項研究項目,標題出奇地低調:「被帶動的空氣對擺輪游絲固有頻率的影響」。光是這個標題,就已改變了問題的焦點:圍繞擺輪的空氣並非中性。兩位研究者寫道,錶的走時會隨大氣壓力變化,這一點早已為人所知。每天一秒看似微不足道,但對機械機芯而言,這已是極小的容許範圍:每一次擺動,擺輪都必須幾乎完全重現相同的運動。在這樣的精度下,連空氣也不可忽視。擺輪推開空氣,帶動少量空氣隨之運動,並遇到隨空氣密度而變化的阻力。EPFL 與 Asulab 的研究人員正是要測量並建立這種佩戴時肉眼看不見的現象的模型,同時觀察機芯內部擺輪周圍各零件的影響。擺輪並不是在抽象的大氣中擺動,而是在鏡面下那一點被封住的空氣裡擺動。

接下來是人人都會問的問題。在高海拔地區,空氣變得稀薄,擺輪遇到的阻力因此減少,擺幅可能略有不同。空氣少,阻尼就小,擺幅便大:到這一步,物理規律都很順從。但這並不表示錶就一定會變快。一切取決於機芯如何應對擺幅的變化。製錶師稱之為等時性:理想狀態下,大幅度的擺動所用時間,應與小幅度的擺動完全相同。實際上,沒有任何機芯對這些變化完全無動於衷。因此,每一款機芯型號都有自己的表現。

視乎調校、游絲與擒縱機構的不同,同樣一次攀登,可能讓一只錶略微變快,另一只卻變慢。此外還有低溫、佩戴位置、潤滑狀態,乃至磁性的影響。換言之,若只憑海拔高度,沒有人能認真預測您的錶在 4 000 公尺處會有什麼表現。這不如現成公式那樣引人注目,卻貼近事實得多。


Riefler 與 Shortt:以真空追求精準

製錶師並非等到 EPFL 出現才開始提防大氣。他們只是用了最直接的辦法:把空氣抽走。

早在 1880 年代末,Siegmund Riefler 就在 Munich 把他的天文調節鐘裝進密封外殼,維持低壓,並內建氣壓補償。1921 年,英國工程師 William Hamilton Shortt 更進一步。他的自由擺鐘 Shortt-Synchronome 將主擺懸於真空腔內,幾乎不去碰它:每三十秒只給予一次三十分之一秒的電磁脈衝,其餘時間擺錘自由擺動,也就是百分之九十九的時間。這款時鐘作為各天文台的基準使用了二十多年,從 Edinburgh 到 Greenwich 皆然。1984 年,美國海軍天文台取出一座 Shortt 鐘,與原子鐘對照:十年的誤差僅一秒。

因此,20 世紀機械精準度的追求,有一部分是讓振盪器脫離大氣,而不是更好地與大氣共處。人們不去補償空氣,而是把它排除。腕錶從來沒有這樣的條件。它的擺輪在周圍的空氣中擺動,而這些空氣會隨天氣與海拔改變:一只放在桌上的錶,即使一公尺也沒移動,也會經歷壓力變化。從真空的天文台到喜馬拉雅山頂,尺度雖然不同,問題卻始終一樣:調速機構所處的環境並非恆定不變。


NASA 如何讓 Omega Speedmaster 脫離空氣

只有一款機械計時碼錶被推到了這個邏輯的盡頭,而它並不是登山錶。

1965 年 3 月 1 日,NASA 認可 Omega Speedmaster 可用於載人太空飛行。為此,這款計時碼錶必須通過一系列極為嚴苛的測試:濕度、富氧環境、衝擊、震動、噪音、極端溫度與極低氣壓。在百萬分之一大氣壓面前,聖母峰頂簡直像一間暖氣充足的客廳。Speedmaster 卻在這輪測試後仍能正常運作,這也促成了 NASA 對它的認可。同樣接受測試的 Rolex 與 Longines-Wittnauer 競爭計時碼錶,並非全部通過所有項目。這不禁令人感到諷刺:我們唯一確切知道在空氣消失時如何表現的機械計時器,並不是為登山而設計,而是為了替賽車計時。



Favre-Leuba Bivouac,1962 年:能測量海拔的機械錶

不過,有一類計時器並不是承受壓力,而是讀取壓力。

1962 年,Favre-Leuba 推出 Bivouac,這是第一款同時結合氣壓計與高度計的機械腕錶。其原理在於真空膜盒,一個密封的金屬小風箱,空氣稀薄時膨脹,空氣變濃時收縮,其動作再傳遞給一根指針。因此,初代 Bivouac 無需電池或電子元件,即可測量至 3 000 公尺。一切都取決於這個纖薄金屬膜盒對空氣變化的機械反應。

Bivouac 是在最合適的地方歷練出來的。Walter Bonatti 於 1964 年佩戴它攀登 Grandes Jorasses 的 Whymper 峰北壁。Junko Tabei 於 1975 年帶著它登上聖母峰,那一年她成為首位登頂的女性。2017 年,品牌重新推出 Raider Bivouac 9000,將量程提高到 9 000 公尺,足以涵蓋聖母峰 8 848 公尺的高度,並採用 48 毫米的鈦金屬錶殼。有一個細節頗能說明這款錶的專精:它能測量極高海拔,防水性能卻只有 30 公尺。它被設計成只朝一個方向讀取壓力。

Favre-Leuba Bivouac 復古廣告
1964 年 Favre-Leuba Bivouac 廣告


聖母峰,1953 年 5 月 29 日:一個始終沒有定論的製錶謎題

聖母峰還為鐘錶愛好者留下另一個懸而未決的問題。1953 年 5 月 29 日上午十一時三十分,Tenzing Norgay 與 Edmund Hillary 登上山頂。可以確定 Norgay 佩戴的是 Rolex Oyster Perpetual,因為他本人曾親口證實。至於 Hillary,答案仍未明朗。出發前,他曾獲贈一只 1950 年製造的 Oyster Perpetual,如今展示於 Zurich。但這位登山家也承認自己帶了一只英國的 Smiths De Luxe,現今收藏於 London 的 Clockmakers' Company 博物館。兩只錶都真實存在,兩種說法都流傳下來,而檔案資料並不足以確切說明,登頂時究竟是哪一只戴在他的腕上。

您可以閱讀我們的文章,了解真正征服喜馬拉雅山的登山錶。

海拔高度無法量化的部分

我們總期待鐘錶給出一個精確的數字。但海拔高度恰恰是一個讓這種精確變得誤導人的領域。真正能夠斷言的其實相當簡單:當壓力降低,擺輪在空氣中遇到的阻力減小,擺動也可能略有改變。這種改變可能影響錶的走時,但其方向與幅度,取決於機芯本身、調校狀況,以及運作時的條件。

這或許正是這個問題比「每一千公尺快或慢幾秒」這種單純數字更有意思的原因。兩只錶可以一同登上同一座山頂,卻不會有完全相同的反應。EPFL 的研究顯示,要理解擺輪與周圍幾立方公分空氣之間所發生的事,哪怕只是其中一部分,也必須深入到流體力學的層面。

至於您的錶在下一個山口會變快還是變慢,只能帶它去親自驗證。調校的結果,從山谷裡是猜不出來的。

常見問題

機械錶在高海拔地區會產生多大的誤差?

目前沒有任何可靠的公開數值。在相信那些宣稱每一千公尺會有多少秒誤差的線上估算工具之前,這一點值得記住。這些計算器忽略了溫度、錶的位置、所涉及的機芯及其保養狀態,而這四個因素的影響往往超過單純的壓力。現有的學術研究描述的是作用機制,而不是放諸四海皆準的常數。比較妥當的做法,是在旅程前後記錄您的錶在腕上的走時,這樣得到的是它自身的表現,而非理論上的平均值。

即使不離開海平面,我的錶也會受到壓力影響嗎?

會。大氣壓力不只取決於海拔,也會隨天氣而變。低壓系統與高壓系統經過時,擺輪周圍的空氣密度會改變,即使錶一直放在床頭櫃上沒有移動。影響雖然很小,卻提醒我們:機械錶是向周遭環境開放的儀器,而不是封閉的系統。

為什麼天文台的時鐘採用真空,腕錶卻從來不是?

因為精密時鐘是一件家具,而錶是隨身佩戴的物件。像 Riefler 和後來的 Shortt 那樣,把擺錘隔離在真空腔內,需要相當的體積、固定不動的安置,以及持續的維護,這與一只需要上鍊、會被碰撞、還得打開來保養的 40 毫米錶殼並不相容。Shortt-Synchronome 裝設在天文台,而不是戴在手腕上。腕錶所採取的折衷辦法,向來是與空氣共存,而不是擺脫它。

防水 200 公尺的錶,是否更適合高山環境?

不一定,因為兩者面對的並不是同一種考驗。潛水錶殼是為了承受高於內部的外部壓力而設計,海拔高度造成的卻恰恰相反:錶內封存的空氣會比外界的更濃。Favre-Leuba Raider Bivouac 9000 能測量 9 000 公尺的海拔,防水性能卻只有 30 公尺,這正好說明兩種性能互不相干。對山區使用而言,墊圈的狀態、機芯在低溫下的表現,以及抗衝擊保護,比一個深度數字重要得多。


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