月相功能結構探索

張巖

自古以來，月亮的存在是啟迪了人類對自然、對科學的發展，沒有比觀測月亮堅持得更久的事了，最早的科學如歷法、數學、農業學、航海學更不用說天文學，這些科學的研究，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，給了人類一個恒古不變的參照物。但同時，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也正是現在月相表存在的價值和意義。

到底什么才是月相呢？月相是指天文學中對于地球上看到的月球被太陽照明部分的稱呼。月球繞地球運動，使太陽、地球、月球三者的相對位置在一個月中有規律地變動。因為月球本身不發光，且不透明，月球可見發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，月球靠反射陽光發亮，由于日、地、月三者位置不斷發生變化，從地球上看來月相便出現了盈虧的變化，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，日月黃經差為0°，這時月球位于地球和太陽之間，以黑暗面朝向地球，且與太陽幾乎同時出沒，故地面上無法見到，這就是朔，這一天為農歷的初一。上弦月：月球繼續朝前旋轉，到了農歷初七、八，也就是圖中的位置3，黃經差為90°，太陽落山，月球已經在頭頂，到了半夜，月球才落下去，這時被太陽照亮的月球，恰好有一半給你看到，稱之為“上弦月”。滿月：到了農歷十五、十六，月球轉到地球的另一面，也就是圖中的位置5，黃經差為180°。這時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著地球，此時我們看到的是滿月，或稱之為“望”。由于月球正好在太陽的對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，到了農歷二十三，也就是圖中的位置7，黃經差270°。滿月虧去了一半，這時的半月只在下半夜出現于東半天空中，這就是“下弦”。快到月底的時候，月球又將旋轉到地球和太陽中間，在日出之前不久，殘月才又由東方升起。到了下月初一，又是朔，開始新的循環。

既然月相的變化是按照一定規律進行的，那么，就可以通過齒輪的傳動關系將月相的變化以各種各樣的方式呈現在手表之上，月相的傳動原理與日歷機構基本一致，月相與日歷都是以公歷為基準設計的，日歷是每31天一個周期，所以日歷輪是31個齒，而根據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周期是28天12小時44分2.9秒，因此每隔大約33個月，月相顯示的誤差就會達到24小時），月相的運動方式是每59天完成兩個周期，這樣的月相盤上有兩個月亮，邊緣有59個齒，月相輪在受到傳動輪的推動后，每天向前推進一齒，此時月相盈虧的變化便能適時顯現在表盤上了。

然而，59齒的月相運動周期與真實月相的運動周期相比每月相差44分2.8秒，大約相當于0.03059天，累積下來，大約33個月就會相差1天，此時就必須通過手動調整月相輪的位置才可恢復它與實際月相的誤差。為了從根本上提升月相顯示的精度，135齒的月相盤應運而生，它將實際朔望月周期的誤差縮小到每月不到1分鐘，這樣每122年才會出現1天的誤差。在此基礎上如果想進一步減小誤差，就不能僅僅通過增加月相輪的齒數來實現了，目前精度最高的月相表采用了一套擁有特殊傳動比例的齒輪，會在彈簧的帶動下，緩緩拉動月相盤運轉，每個正月的誤差僅為6.61秒。只有經過1058年的累積，累積誤差才會達到24小時，因此杜絕了傳統月相技術所帶來的33個月慢24小時的誤差。

雖然從精度上已經實現了千年月相，但是卻依舊保持著傳統的表現方式，即窗口式，其常常被放置在一個特殊形狀的半圓的窗口內，這個特定形狀包括一個半圓弧和兩個小圓弧。這個精心設計的形狀與月相盤上的月亮結合，能比較準確地告訴我們月亮在一個周期開始或結束時的形狀。月相盤轉動而窗口圓弧則保持靜止，圓弧起到了現實中陰影的作用。

同樣使用平面結構顯示，若保持月亮靜止而陰影按一定規律運動，在更小的空間內，也可以實現月相變的效果，這樣的設計更貼近現實月相中陰影與月亮的運動關系。

平面布局能夠大大降低軸向空間的使用，很容易以附加結構的形式出現在任何手表上，因此被廣泛應用于高檔手表的設計中。但是平面月相卻存在著不可避免的設計難題，即其無法顯示如真實月相般同樣的形象，某一個月相變化周期中，自15日起至29日止，除去滿月期，由于結構限制，平面設計無法形象的表現出真實月相的狀態，其形式往往類似月食的形象，貽笑大方。因此要實現真實月相的具象化，就需要全新的結構設計，立體月相應運而生。

立體月相顧名思義，其使用的是球體來表現月相的變化，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動的月相顯示元件改變為平行于表盤面直線為軸的另外一種運動方式，從而使球體能夠像真實月亮般把現實中的月相顯現出來。雖然立體結構能夠更真實，但是由于球體本身的特性，軸向上需要占據相對更大的空間，但是要保證機芯的整體厚度，往往不得不將此結構至于機芯輪廓外部或在機芯設計初始階段就根據其特性在平面布局時加以考量。由此，雖然立體月相結構更加真實，但很難應用于現有基礎機芯上，除非在外觀上做出更大的讓步。同時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，觀看到的球體顯示出的月相影像會產生較大的誤差。

月相的產生本就是太陽光在月球上的反射，依據日、地、月三者不同的位置關系改變而變化，是大自然的光影“魔術”。那么根據光傳播的原理，將凸透鏡的折射特性引入月相結構的機械設計中算是相當有新意的。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根據透鏡的薄厚發生變化，即光線在透鏡中不同位置的傳播方向發生的改變也不同，僅當光線通過半球體透鏡中心時即使發生折射率的變化，也會因其投影在同一直線上而產生陰影變化，而這樣的月相變化，更貼近于現實中的月相變化。

現在用于手表中的月相表現形式，無論從精度，還是表現形式上，已經是各具特點，各有所長，但人們追求完美的心卻是無止境的，在月相上的研究也會繼續發展下去，畢竟從觀測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構那么簡單，歸根到底起決定作用的還是維度的變化，如何將維度影響應用于月相顯示結構中，將是一個新的課題。