月相功能结构探索

张岩

自古以来，月亮的存在是启迪了人类对自然、对科学的发展，没有比观测月亮坚持得更久的事了，最早的科学如历法、数学、农业学、航海学更不用说天文学，这些科学的研究，都离不开月亮的帮助。月亮固定的周期，以及反射的柔和的太阳光，给了人类一个恒古不变的参照物。但同时，月亮更是一种能够寄托人类情怀的图腾式的存在，而这种精神境界的延续也正是现在月相表存在的价值和意义。

到底什么才是月相呢？月相是指天文学中对于地球上看到的月球被太阳照明部分的称呼。月球绕地球运动，使太阳、地球、月球三者的相对位置在一个月中有规律地变动。因为月球本身不发光，且不透明，月球可见发亮部分是反射太阳光的部分。只有月球直接被太阳照射的部分才能反射太阳光。我们从不同的角度上看到月球被太阳直接照射的部分，这就是月相的来源。月相不是由于地球遮住太阳所造成的（这是月食），而是由于我们只能看到月球上被太阳照到发光的那一部分所造成的，其阴影部分是月球自己的阴暗面，月球靠反射阳光发亮，由于日、地、月三者位置不断发生变化，从地球上看来月相便出现了盈亏的变化，人们通常将盈亏的过程分为四类。如图所示，朔：又称新月，在位置1，日月黄经差为0°，这时月球位于地球和太阳之间，以黑暗面朝向地球，且与太阳几乎同时出没，故地面上无法见到，这就是朔，这一天为农历的初一。上弦月：月球继续朝前旋转，到了农历初七、八，也就是图中的位置3，黄经差为90°，太阳落山，月球已经在头顶，到了半夜，月球才落下去，这时被太阳照亮的月球，恰好有一半给你看到，称之为“上弦月”。满月：到了农历十五、十六，月球转到地球的另一面，也就是图中的位置5，黄经差为180°。这时地球在太阳和月亮的中间，月球被太阳照亮的那一半正好对着地球，此时我们看到的是满月，或称之为“望”。由于月球正好在太阳的对面故太阳在西边落下，月球则从东边升起，到了月球落下，太阳又从东边上升了，一轮明月整夜可见。下弦月：满月以后，月球升起的时间一天比一天迟了，月球亮的部分也一天比一天看到的小了，到了农历二十三，也就是图中的位置7，黄经差270°。满月亏去了一半，这时的半月只在下半夜出现于东半天空中，这就是“下弦”。快到月底的时候，月球又将旋转到地球和太阳中间，在日出之前不久，残月才又由东方升起。到了下月初一，又是朔，开始新的循环。

既然月相的变化是按照一定规律进行的，那么，就可以通过齿轮的传动关系将月相的变化以各种各样的方式呈现在手表之上，月相的传动原理与日历机构基本一致，月相与日历都是以公历为基准设计的，日历是每31天一个周期，所以日历轮是31个齿，而根据29.5天周期的理论（月相盈亏每29.5天为一周期的平均值，由于月亮的精确旋转周期是28天12小时44分2.9秒，因此每隔大约33个月，月相显示的误差就会达到24小时），月相的运动方式是每59天完成两个周期，这样的月相盘上有两个月亮，边缘有59个齿，月相轮在受到传动轮的推动后，每天向前推进一齿，此时月相盈亏的变化便能适时显现在表盘上了。

然而，59齿的月相运动周期与真实月相的运动周期相比每月相差44分2.8秒，大约相当于0.03059天，累积下来，大约33个月就会相差1天，此时就必须通过手动调整月相轮的位置才可恢复它与实际月相的误差。为了从根本上提升月相显示的精度，135齿的月相盘应运而生，它将实际朔望月周期的误差缩小到每月不到1分钟，这样每122年才会出现1天的误差。在此基础上如果想进一步减小误差，就不能仅仅通过增加月相轮的齿数来实现了，目前精度最高的月相表采用了一套拥有特殊传动比例的齿轮，会在弹簧的带动下，缓缓拉动月相盘运转，每个正月的误差仅为6.61秒。只有经过1058年的累积，累积误差才会达到24小时，因此杜绝了传统月相技术所带来的33个月慢24小时的误差。

虽然从精度上已经实现了千年月相，但是却依旧保持着传统的表现方式，即窗口式，其常常被放置在一个特殊形状的半圆的窗口内，这个特定形状包括一个半圆弧和两个小圆弧。这个精心设计的形状与月相盘上的月亮结合，能比较准确地告诉我们月亮在一个周期开始或结束时的形状。月相盘转动而窗口圆弧则保持静止，圆弧起到了现实中阴影的作用。

同样使用平面结构显示，若保持月亮静止而阴影按一定规律运动，在更小的空间内，也可以实现月相变的效果，这样的设计更贴近现实月相中阴影与月亮的运动关系。

平面布局能够大大降低轴向空间的使用，很容易以附加结构的形式出现在任何手表上，因此被广泛应用于高档手表的设计中。但是平面月相却存在着不可避免的设计难题，即其无法显示如真实月相般同样的形象，某一个月相变化周期中，自15日起至29日止，除去满月期，由于结构限制，平面设计无法形象的表现出真实月相的状态，其形式往往类似月食的形象，贻笑大方。因此要实现真实月相的具象化，就需要全新的结构设计，立体月相应运而生。

立体月相顾名思义，其使用的是球体来表现月相的变化，球体深色的一半用来表示阴影，而另外一半亮色则表示明亮的月亮，其通过一套锥齿轮将原本垂直于表盘面转动的月相显示元件改变为平行于表盘面直线为轴的另外一种运动方式，从而使球体能够像真实月亮般把现实中的月相显现出来。虽然立体结构能够更真实，但是由于球体本身的特性，轴向上需要占据相对更大的空间，但是要保证机芯的整体厚度，往往不得不将此结构至于机芯轮廓外部或在机芯设计初始阶段就根据其特性在平面布局时加以考量。由此，虽然立体月相结构更加真实，但很难应用于现有基础机芯上，除非在外观上做出更大的让步。同时立体月相也有其局限性，月相显示效果受观看角度的影响会有很大变化，如果观者不是垂直与表盘观看，而是倾向一定的角度观看时，观看到的球体显示出的月相影像会产生较大的误差。

月相的产生本就是太阳光在月球上的反射，依据日、地、月三者不同的位置关系改变而变化，是大自然的光影“魔术”。那么根据光传播的原理，将凸透镜的折射特性引入月相结构的机械设计中算是相当有新意的。如下图所示，将印有阴影图案的滚筒置于具有特定折射率的透镜下方，由于半球体透镜的折射率会根据透镜的薄厚发生变化，即光线在透镜中不同位置的传播方向发生的改变也不同，仅当光线通过半球体透镜中心时即使发生折射率的变化，也会因其投影在同一直线上而产生阴影变化，而这样的月相变化，更贴近于现实中的月相变化。

现在用于手表中的月相表现形式，无论从精度，还是表现形式上，已经是各具特点，各有所长，但人们追求完美的心却是无止境的，在月相上的研究也会继续发展下去，毕竟从观测者所处地理位置的不同月相也是不同的，这不仅仅是南北半球颠倒月相结构那么简单，归根到底起決定作用的还是维度的变化，如何将维度影响应用于月相显示结构中，将是一个新的课题。