Hiện thực hóa giấc mơ về một bộ thoát lý tưởng từ Breguet
Những gì Abraham-Louis Breguet cống hiến cho ngành đồng hồ thật sự vĩ đại. Gần như bất cứ cơ chế nào trên đồng hồ hiện này cũng đều có nguồn gốc từ những phát minh của ông - từ cơ chế tự động lên dây cót, hay là cơ chế chống sốc cho bánh xe cân bằng.
Trong đó, cơ chế nổi tiếng nhất chính là Tourbillon, được cấp bằng sáng chế vào năm 1801. Cơ chế này thật sự quan trọng với những chiếc đồng hồ bỏ túi và đồng hồ để bàn - những thiết kế thường được đặt theo phương thẳng đứng.
Chiếc đồng hồ bỏ túi Breguet Souscription được giới thiệu vào những năm 1990 được làm lại từ thiết kế nguyên bản thế kỷ 19, với bộ thoát có cơ chế chống sốc
Tourbillon không phải là cố gắng duy nhất của Breguet trong công cuộc tăng độ chính xác của đồng hồ. Trước đó, ông đã chế tạo ra cơ chế bộ thoát cơ bản mang tên echappement naturel vào năm 1789. Tuy nhiên, phát minh này không thật sự nổi tiếng như Tourbillon.
Đó là một bộ thoát với hai bánh răng, và theo lý thuyết thì không cần dùng tới dầu bôi trơn. Breguet đã sử dụng cơ chế này trong khoảng 20 chiếc đồng hồ bỏ túi, nhưng việc đưa vào sản xuất hàng loạt là bất khả thi vì thiết kế vẫn còn một số thiếu sót và bộ máy thường xuyên bị trục trặc. Tuy nhiên, đây vẫn là ý tưởng đi trước thời đại, và phải mất tới 200 năm sau chúng ta mới có thể hoàn thành những gì Breguet còn dang dở.
Ý tưởng này đã gợi cảm hứng cho rất nhiều thương hiệu đồng hồ, và đã có nhiều thương hiệu giới thiệu những cơ chế tương tự như vậy, gần đây nhất có lẽ là chiếc Charles Frodsham Double Impulse Chronometer được ra mắt vào năm 2016. Với công nghệ và những vật liệu hiện đại, cơ chế echappement naturel của Breguet ngày nay đã có thể hoạt động ổn định.
Trước khi nhắc tới những thiết kế hiện đại lấy cảm hứng từ cơ chế echappement naturel của Breguet, chúng ta cần hiểu về hai cơ chế bộ thoát đã giúp Breguet tìm ra phát minh của mình.
Bộ thoát đòn bẩy
Cơ chế đầu tiên cần nhắc tới là bộ thoát với một đòn bẩy được phát minh bởi nghệ nhân người Anh Thomas Mudge (1715-1794) vào năm 1755. Sau hơn 250 năm với nhiều cải tiến, đây vẫn là cơ chế bộ thoát được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, bên trong rất nhiều chiếc đồng hồ cơ.
Cơ chế này sử dụng một linh kiện với hai chân, được gắn thêm chân kính để giảm ma sát và ăn mòn. Ở Việt Nam, linh kiện này được gọi dân dã là con ngựa, với hai phần chân kính là hai chân ngựa.
Qua ảnh động bên dưới, bạn có thể quan sát được cơ chế bộ thoát đòn bẩy cơ bản. Năng lượng được giải phóng từ dây cót và truyền tới bánh xe gai. Bánh xe gai sẽ đẩy vào chân ngựa và truyền năng lượng tới bánh xe cân bằng. Với hai góc chặn/mở của chân ngựa, dao động từ bánh xe cân bằng sẽ có tác dụng tạo nhịp lại cho bánh xe thoát.
Ảnh minh hoạ cơ chế bộ thoát đòn bẩy
Những chuyển động trượt trên bề mặt bánh xe gai tạo ra ma sát, nhưng đây là điều không thể tránh khỏi. Chính hoạt động này tạo ra tiếng tick tock mà chúng ta thường nghe thấy trong đồng hồ cơ học, khi chân ngựa gõ vào bánh xe gai.
Thiết kế này thật sự đơn giản, hiệu quả và đáng tin cậy, và vì thế được sử dụng rất rộng rãi. Quan trọng hơn, cơ chế này có khả năng tự vận hành. Chỉ cần một dao động nhỏ làm cho bánh xe cân bằng di chuyển, bánh xe gai sẽ hoạt động và từ đó chiếc đồng hồ cũng bắt đầu đếm giờ.
Tuy nhiên, trở ngại chính của cơ chế này là lực ma sát. Đặt vào trường hợp một chiếc đồng hồ hoạt động với tần số 2.5Hz, có nghĩa là 18,000 nhịp mỗi giờ, hay 432,000 nhịp mỗi ngày. Vì thế, bộ máy đồng hồ cần phải sử dụng chất bôi trơn để có thể hoạt động trơn tru. Trước khi chất bôi trơn tổng hợp được phát minh, người ta thường dùng mỡ động vật. Tuy nhiên, chất liệu tự nhiên rất nhanh chóng bị phân hủy, có khi chỉ dưới 1 tháng.
Bộ thoát chốt chặn
Chúng ta cũng có một bộ thoát siêu việt, không cần dùng hoặc dùng rất ít chất bôi trơn - Cơ chế chốt chặn. Điều thú vị là cơ chế này được phát minh trước cơ chế bộ thoát đòn bẩy - vào năm 1748 - bởi nghệ nhân đồng hồ người Pháp Pierre Le Roy (1717-1785) và sau đó được cải tiến bởi John Arnold và Thomas Earnshaw.
Nói một cách đơn giản, bộ thoát chốt chặn khác bộ thoát đòn bẩy ở chỗ nó sử dụng một đĩa có gắn chốt chặn thay vì đòn bẩy. Nếu như bộ thoát đòn bẩy có hai nhịp trong một chu kỳ, thì bộ thoát chốt chặn chỉ có một.
Nhìn vào ảnh bên dưới, bạn có thể thấy được cơ chế này hoạt động như thế nào. Bánh xe gai có thể xoay tự do theo chiều kim đồng hồ, tuy nhiên sẽ bị chặn lại nếu xoay ngược chiều kim đồng hồ.
Phiên bản bộ thoát chốt chặn của Thomas Earnshaw
Khác với bộ toát đòn bẩy, thiết kế của bộ thoát chốt chặn rất lý tưởng khi gần như không có chuyển động trượt trên bề mặt. Trong thời điểm chất bôi trơn có chất lượng kém như vậy, thiết kế này trở nên hoàn hảo do không cần sử dụng chất bôi trơn trên bề mặt.
Tuy nhiên, cơ chế này lại có một điểm yếu chí tử: khả năng chống sốc. Bánh xe cân bằng cần phải xoay một góc lớn để có thể tích đủ mô men lực mở chốt chặn, giúp bánh xe gai di chuyển. Trong thời điểm dao động này, bất cứ chấn động nào cũng sẽ làm mất đi mô men lực, và làm đồng hồ ngưng chạy. Bên cạnh đó, bộ thoát cũng không thể tự vận hành mà cần tác dụng một lực tương đối lớn.
Yếu điểm trên cũng là lý giải cho việc bộ thoát chốt chặn chỉ được sử dụng trong đồng hồ để bàn cổ. Đến với thế giới hiện đại của đồng hồ đeo tay, cơ chế này đã biến mất hoàn toàn.
Hai cơ chế được hợp nhất làm một, nhưng…
Breguet chắc chắn đã mất rất nhiều thời gian nghiên cứu để kết hợp hai cơ chế bộ thoát đòn bẩy và bộ thoát chốt chặn, từ đó tạo ra bộ thoát echappement naturel. Nguyên tắc cơ bản khá giống với bộ thoát chốt chặn, với một chốt ở giữa nhưng dùng tới hai bánh xe gai. Như vậy, một chốt có thể vừa chặn, vừa nhả - cơ chế này phần nào cũng giống với bộ thoát đòn bẩy.
Cơ chế này cần sử dụng tới hai bánh xe gai xoay ngược chiều nhau, được kết nối bởi một bánh răng. Bạn có thể quan sát ảnh dưới, bánh xe gai A được truyền năng lượng từ hộp cót, trong khi đó bánh xe gai B lại lấy năng lượng từ bánh A.
Vậy liệu cải tiến này của Breguet có thực sự thành công?
Không hẳn - thiết kế này có một điểm yếu liên quan tới giới hạn công nghệ vào thời điểm đó. Dung sai của hai bánh xe gai phải thật sự thấp, nếu không bánh xe B sẽ tạo lại phản lực vào hệ thống bánh răng. Đây là một vấn đề lớn, có thể làm chiếc đồng hồ dừng hoạt động.
Breguet đã đưa ra nhiều chỉnh sửa và áp dụng vào 20 chiếc đồng hồ bỏ túi, chiếc đầu tiên được làm vào năm 1802 và chiếc cuối cùng vào năm 1822 - một năm trước khi ông qua đời. Một số thiết kế trong số đó vẫn được bảo quản tốt, và chiếc đồng hồ bỏ túi số 1176 còn được bán với mức giá 821,000 Franc Thụy Sĩ tại phiên Christie’s vào năm 2014. Chiếc đồng hồ này bây giờ đang được trưng bày tại bảo tàng của Breguet.
Ông cũng sử dụng cơ chế bộ thoát này cho một số chiếc đồng hồ để bàn hay đồng hồ hàng hải. Tuy nhiên, với sự khó khăn trong sản xuất, cơ chế này không được phổ biến rộng rãi và Breguet chuyển hướng qua cải tiến bộ thoát đòn bẩy. Tới cuối thế kỷ 19, phần lớn những nghệ nhân đồng hồ đều từ bỏ việc phát triển tiếp bộ thoát echappement naturel.
Giải pháp của George Daniels
Nhiều thập kỷ sau, George Daniels đã đưa ra phương pháp để xử lý những vấn đề tồn đọng của bộ thoát echappement naturel. George Daniels nổi tiếng với việc phát minh ra bộ thoát Co-Axial mà ngày nay được độc quyền bởi Omega. Trùng hợp thay, bộ thoát Co-Axial cũng có cùng hướng phát triển với cơ chế của Breguet - loại bỏ chuyển động gây ma sát trên bộ thoát thông thường.
Ông thực hiện điều này trên mẫu đồng hồ bỏ túi thứ năm của mình, và với hai mẫu đồng hồ đeo tay - Space Traveller I và Space Traveller II. Chiếc Space Traveller I đã được bán ở London với mức giá 4.56 triệu USD, trong khi đó chiếc Space Traveller II được trưng bày tại triển lãm khoa học ở London.
Daniels đã chỉnh sửa ý tưởng của Breguet để cơ chế này có thể hoạt động ổn định, loại bỏ kết nối giữa hai bánh xe gai. Thay vì để một bánh xe gai điều khiển bánh còn lại, ông cung cấp cho mỗi bánh xe gai một hộp cót và một hệ thống bánh răng riêng.
Tuy nhiên, hệ thống bộ thoát này của Daniels có kích thước khá lớn, và chi phí cũng tốn nhiều. Về lý thuyết, đây là hai bộ máy nằm bên trong một chiếc đồng hồ. Vì thế, Daniels lại tiếp tục đưa ra những ý tưởng mới mẻ hơn từ cơ chế này - mỗi hệ thống sẽ hiển thị một loại thời gian khác nhau.
Từ đó, ông tạo ra chiếc Space Traveller với mặt số bên phải hiển thị thời gian ở Trái Đất, còn mặt số bên trái thể hiện thời gian ở một vị trí khác trong vũ trụ. Cái tên Space Traveller cũng phần nào thể hiện được ý tưởng này - người du hành không gian.
Lại một người Anh nữa với những cải tiến
George Daniels không phải là người anh duy nhất thực hiện cải tiến trên bộ thoát echappement naturel. Derek Pratt - một người bạn cũng ông cũng rất hứng thú với cơ chế này. Tuy nhiên, ông quyết định đi theo một hướng đi khác với George Daniels.
Ông không sử dụng hai hệ thống bánh răng riêng biệt, thay vào đó là hai bánh xe gai nhưng mỗi bánh xe sẽ xoay theo một hướng khác nhau. Ý tưởng này được lấy từ một phát minh khác của Breguet - Tourbillon.
Pratt thấy rằng lồng Tourbillon xoay trên một bánh răng, và kéo theo cả bộ thoát cùng di chuyển. Tuy nhiên, nếu lắp hai bánh xe gai thì chúng sẽ cùng quay theo một chiều, đi ngược lại với thiết kế echappement naturel. Để cải tiến, ông đã lắp thêm một bánh răng cố định để điều khiển hai bánh xe gai riêng biệt.
Phát minh này có tên là Double-Wheel Remontoir Tourbillon, được giới thiệu năm 1997. Pratt còn đi thêm một bước nữa với việc tích hợp cơ chế lực bất biến, giúp năng lượng từ hộp cót đi vào bộ thoát luôn luôn ổn định, từ đó giúp đếm giờ chính xác hơn.
Tuy nhiên, phát minh của Pratt vẫn là một chiếc đồng hồ bỏ túi, do cơ chế này có kích thước khá lớn và không tích hợp được vào đồng hồ đeo tay.
Các ý tưởng hiện đại
Công nghệ hiện đại ngày nay đã có thể phân tích và sử dụng cơ chế bộ thoát echappement naturel của Breguet để sản xuất hàng loạt. Có hai yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng tới điều này: việc sử dụng công nghệ mới như silicon, và độ chính xác của các phương pháp sản xuất.
Từ đó, chúng ta có nhiều phiên bản bộ thoát lấy cảm hứng từ echappement naturel của Breguet. Với một số cái tên nổi bật dưới đây
Ulysse Nardin Dual Direct Escapement (2001)
Mẫu đồng hồ Ulysse Nardin Freak được ra mắt năm 2001 thực sự là một bước đột phá. Cả bộ máy được gắn trên kim phút, xoay trực tiếp trên mặt số.
Thiết kế ấn tượng này đã làm cho chiếc Freak trở nên nổi tiếng, và cơ chế bộ thoát bên trong cũng đặc biệt như vậy. Bộ thoát Dual Direct Escapement là cơ chế đầu tiên lấy cảm hứng từ bộ thoát echappement naturel của Breguet mà được sản xuất hàng loạt - nhờ việc sử dụng bánh xe gai từ silicon. Đây cũng là chiếc đồng hồ đầu tiên sử dụng linh kiện silicon.
Không đơn thuần là một vật liệu lạ, linh kiện Silicon còn có độ chính xác rất cao - một điều kiện quan trọng để vận hành cơ chế echappement naturel. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, công nghệ DRIE sản xuất silicon mới chỉ có thể làm ra những vật mỏng dẹt thay vì thiết kế 3D. Vì thế, cơ chế bộ thoát Dual Direct Escapement bên trong chiếc Freak đã tích hợp tất cả cơ chế trên một mặt phẳng.
Thật không may, thiết kế nguyên bản của Freak có một vài vấn đề, khiến cho chiếc đồng hồ dừng hoạt động. Vì thế, Ulysse Nardin đã cải tiến và giới thiệu phiên bản Freak tiếp theo.
Phiên bản tiếp theo được ra mắt vào năm 2005, với cải tiến ở thiết kế bánh xe gai với 18 răng. Mỗi răng đều có đầu cong giống như răng cá mập và giúp kích hoạt cơ chế bộ thoát. Vì vậy, cơ chế hoạt động ổn định hơn. Cơ chế mới cũng tăng tần số lên 4Hz thay vì 3Hz như ban đầu.
Voutilainen Double Direct Impulse Escapement (2011)
Một ví dụ khác thuộc về thương hiệu độc lập Voutilainen - Double Direct Impulse Escapement. Cơ chế này được đặt trong mẫu đồng hồ Vingt-8, giới thiệu vào năm 2011. Nếu nhìn qua, bạn có thể thấy mặt đáy đồng hồ có thiết kế khá quen thuộc, giống nhiều mẫu đồng hồ khác. Nhưng nếu nhìn sâu hơn, bạn có thể thấy hai bánh xe gai màu xanh - cơ chế giống với echappement naturel.
Hệ thống bánh răng điều khiển bánh xe gai được giấu phía sau khung máy, ở phía mặt số. Vì thế, hai bánh xe gai dường như đang tự vận hành mà không kết nối với gì cả. Điều này sẽ khiến việc lắp ráp khó khăn hơn, nhưng cũng là cách để Kari Voutilainen thể hiện khả năng của mình.
Một điểm đặc biệt khác ở bộ máy này là Voutilainen không sử dụng những chất liệu hiện đại như Silicon, mà chỉ sử dụng máy tiện CNC. Tất cả linh kiện đều được làm bằng đồng thau hoặc vàng, giúp việc bảo dưỡng cũng dễ dàng hơn. Linh kiện Silicon tuy có độ chính xác cao, nhưng việc chế tác và bảo dưỡng hiện cũng có nhiều vấn đề bất cập.
Laurent Ferrier Natural Escapement (2011)
Bên cạnh thiết kế Tourbillon đặc trưng, thương hiệu Laurent Ferrier cũng nổi tiếng với bộ máy sử dụng Micro-Rotor. Mặc dù chỉ có ba tính năng hiển thị giờ/phút/giây đơn giản, bộ máy đồng hồ vẫn được hoàn thiện ở một tầm cao, với những đường vát cạnh cong hay đánh bóng đen. Bên cạnh đó, bộ máy còn tích hợp cơ chế echappement naturel.
Bộ thoát này sử dụng chất liệu nickel-phosphorus được chế tạo từ công nghệ LIGA, và rất giống với thiết kế nguyên thủy của Breguet. Nhờ công nghệ LIGA, những bánh răng được chế tác với độ chính xác cao, nguyên khối - điều này sẽ tránh sai sót trong quá trình lắp ráp.
Đây là thiết kế rất giống với thiết kế gốc của Breguet, thậm chí dây tóc cũng được uốn thủ công theo phong cách Breguet.
F.P. Journe Bi-Axial High-Performance Escapement (2012)
Vào năm 2012, F.P Journe đã giới thiệu mẫu đồng hồ Chronometre Optimum với cơ chế bộ thoát Bi-Axial High-Performance độc quyền. Khác với thiết kế của Breguet, bánh xe gai và hệ thống bánh răng trong chiếc F.P Journe là những linh kiện độc lập. Điều này sẽ giúp dễ chế tác linh kiện hơn, nhưng bù lại yêu cầu độ chính xác trong việc lắp ráp.
Như cái tên High-Performance đã thể hiện. F.P Journe muốn chiếc đồng hồ hoạt động hiệu quả nhất có thể. Trong đó, cơ chế quan trọng nhất có lẽ là remontoir d’egalité. Cơ chế này giúp năng lượng cung cấp tới bánh xe gai luôn được giữ ổn định.
Cơ chế này sẽ giảm năng lượng tới bánh xe gai khi dây cót đang ở trạng thái căng nhất. Điều này cực kỳ cần thiết với thiết kế gốc của Breguet, vì năng lượng quá lớn sẽ làm hai bánh xe gai va chạm với nhau và làm đồng hồ ngưng hoạt động.
Girard-Perregaux Constant Escapement (2013)
Cải tiến ít ai ngờ đến nhất của bộ thoát echappement naturel đến từ thương hiệu Girard-Perregaux, mang tên Constant Escapement. Tuy cơ chế này hiện thuộc về GP, nhưng thực tế nó được phát triển bởi một nghệ nhân làm việc tại Rolex vào những năm 1990 - Nicolas Dehon.
Mặc dù ý tưởng này được Rolex đăng ký bản quyền, nhưng họ chưa bao giờ đưa cơ chế này vào sản xuất. Nguyên do có lẽ là công nghệ và vật liệu thời điểm đó vẫn chưa thể đem lại hoạt động ổn định cho chiếc đồng hồ. Khoảng một thập kỷ sau, ngài Dehon rời Rolex tới Girard-Perregaux, và tại đây ông hiện thực hóa ý tưởng của mình.
Girard-Perregaux giới thiệu chiếc đồng hồ này tại Baselworld 2013, nhưng với khá nhiều vấn đề bên trong bộ máy và độ ổn định. Do đó, phải mất vài năm từ khi được giới thiệu, mẫu đồng hồ này mới đến tay người tiêu dùng.
Mặc dù với thiết kế đặc biệt, nhưng Constant Escapement về cơ bản vẫn là cơ chế echappement naturel và hoạt động theo cùng nguyên lý. Hai bánh xe gai không khác gì so với bánh xe gai thông thường, được di chuyển theo hai hướng ngược nhau. Điểm khác biệt ở đây là một miếng silicon với độ dày chỉ bằng ⅙ sợi tóc có tác dụng hãm và ổn định lực.
Cơ chế bộ thoát Constant Escapement không quá hoành tráng và ấn tượng, nhưng lại có chúng ta thấy được khả năng của chất liệu Silicon. Trong tương lai gần, có lẽ vật liệu này sẽ ngày càng được sử dụng phổ biến hơn khi công nghệ phát triển.
Kết luận
Cơ chế echappement naturel của Breguet thật sự đi trước thời gian, và những thương hiệu đồng hồ kia phải mất tới hai thế kỷ để hiện thực hóa giấc mơ của ông. Tuy vậy, yêu cầu về độ chính xác và ổn định vẫn là một bài toán khó, và các hãng đồng hồ vẫn chưa thể giới thiệu cơ chế này một cách đại trà trong nhiều sản phẩm. Trong những chiếc đồng hồ ở trên, mới chỉ có Ulysse Nardin Freak là có số lượng sản xuất đáng kể.
Tuy vậy, con số này vẫn rất rất nhỏ so với tổng lượng đồng hồ được sản xuất hàng năm. Nhưng với công nghệ liên tục phát triển, chúng ta hoàn toàn có thể tự tin rằng trong tương lai không xa, những chiếc đồng hồ sử dụng cơ chế echappement naturel sẽ trở nên phổ biến và đồng hồ đeo tay sẽ ngày càng chính xác hơn.
