Dây Cót Đồng Hồ Là Gì? Lịch Sử Của Dây Cót Đồng Hồ

Có rất nhiều điều bên trong bộ máy của một chiếc đồng hồ cơ đã ngốn không biết bao nhiêu giấy mực của các chuyên gia phân tích trên Thế giới. Điều này cũng không khó lý giải, bởi đồng hồ và chế tạo đồng hồ là tinh hoa đã lắng đọng hơn hàng ngàn năm của nhân loại. Nhưng dẫu thế, vẫn có những thứ rất dễ bị lãng quên và ít khi được nhắc đến, chẳng hạn như: dây cót đồng hồ (mainspring). 

Thực tiếc vì điều này, nếu không có dây cót sẽ không có đồng hồ và càng không có chế tạo đồng hồ. Nhưng sự thực thì dây cót có lẽ là bộ phận ít hấp dẫn nhất đối với bất kỳ ai quan tâm đến đồng hồ. Những người khác nhau sẽ tìm thấy những điều thú vị khác nhau: một số người thích sự khác biệt nhỏ trên mặt số; một số người cảm thấy bộ thoát vô cùng hấp dẫn; một số người lại dành nhiều thời gian hơn để nghiên cứu các biến chứng cao cấp (như tourbillon, chronograph, moonphase, perpetual calender,…) và vài điều tương tự như thế. Dù thế tôi vẫn tin rằng đâu đó sẽ có người quan tâm và thu hút bởi dây cót đồng hồ. 

Dây cót (mainspring) đồng hồ là một cuộn dây thép rất mỏng và dẻo, được cuộn lại thành hình xoắn ốc và đặt trong barrel (còn gọi là thùng năng lượng). Trung tâm được gắn một arbor, cuối cùng được đậy lại bằng nắp “Barrel Cover” mà bạn thấy trong hình. Dây cót đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho tất cả sự vận hàng bên trong bộ máy đồng hồ. Tốc độ bung của dây cót còn ảnh hưởng đến độ chính xác của đồng hồ. 

Nhìn nó đi, không khó để đoán rằng dây cót đồng hồ là một cuộn thép. Thép? Ừm… 

Từ xưa, thép đã tồn tại như một lẽ hiển nhiên trong cuộc sống: người La Mã đã sử dụng nó để rèn kiếm; thép chất lượng cao được sản xuất đầu tiên tại Trung Quốc vào năm 400 trước Công nguyên; sau đó, các khu vực khác trên Thế giới như Ấn Độ và Nhật Bản đã trở nên nổi tiếng với nghề luyện thép từ thời Trung cổ. Tuy nhiên, đặc điểm nổi bật của các phương pháp luyện thép này dựa vào các quy tắc ngón tay cái * được truyền tải cẩn thận, thay vì sự hiểu biết về hóa học luyện kim cơ bản. Chế tạo thép trong phần lớn lịch sử loài người là một quy trình thủ công nhỏ chứ không phải là một nền công nghiệp.

(* nếu bạn có hứng thú với quy tắc này, bạn có thể tìm hiểu TẠI ĐÂY)

Việc sản xuất một lượng lớn sắt và thép có tính chất “tiên đoán” lắm đấy, vì sau đó chúng đã thật sự trở thành một yếu tố quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp khi nó diễn ra ở Châu Âu. Nhận định một cách tương đối thì những tiến bộ kỹ thuật trong chế tạo thép diễn ra khá muộn trong lịch sử, thậm chí nó đã kéo dài trong suốt thế kỷ 19. Cuối cùng, thép không gỉ ra đời của một thành quả lớn lao của gần 1 thế kỷ nuôi nấng. Năm 1908, một chiếc du thuyền bằng thép không gỉ mang tên Half Moon nặng hơn 300 tấn đã được chế tạo. 

Lý do của tất cả những điều này có liên quan đến chế tạo đồng hồ: lò xo thép xoắn ốc (dây cót) là không thể thiếu trong sản xuất các thiết bị xem giờ cầm tay. Chiếc đồng hồ được biết đến sớm nhất ở Châu Âu lại không sử dụng dây cót để cung cấp năng lượng. Thay vào đó, chúng được điều khiển bởi trọng lượng: đặt một vật nặng phù hợp vào đầu dây quấn quanh ròng rọc và khi trọng lực kéo vật nặng xuống dưới, chuyển động thẳng của trọng lượng được chuyển thành momen quay. 

Ý tưởng này đơn giản đến mức dường như không thể phát sinh bởi một người nào đó trong thế giới cổ đại – xét cho cùng, những người có thể phát minh ra những thứ như cỗ máy Antikythera (một cơ chế đồng hồ phức tạp bao gồm ít nhất 30 bánh răng) không phải người có bộ não đơn giản. Nhưng theo như chúng ta biết, sự kết hợp của trọng lượng rơi thẳng như một cơ chế năng lượng, với sự thoát hơi cơ học đã không phát sinh cho đến thế kỷ thứ 12 sau Công nguyên. 

Ai là người đầu tiên nghĩ đến việc sử dụng dây tóc làm nguồn cung cấp năng lượng cho đồng hồ? 

Gần như chắc chắn sẽ không bao giờ có lời giải đáp. Bàn về phát minh ra lò xo xoắn trước khi sử dụng chúng trong đồng hồ, đầu tiên phải kể đến những người thợ khóa. Những chiếc lò xo rất cần thiết cho việc xây dựng các khóa an toàn và đáng tin cậy. Bên cạnh đó, lò xo thép cũng cần thiết cho lĩnh vực chế tạo đồng hồ từ rất sớm và phát triển vũ khí cũng thế.

Đồng hồ chạy bằng lò xo lâu đời nhất hiện có là ở bảo tàng lịch sử Germanisches Nationalmuseum, tại Nürnberg, Đức. Nó đã được trao cho Phillip the Good – Công tước xứ Burgundy vào năm 1430 và nó phức tạp đến mức chắc chắn gốc rễ phải rất chi là này nọ. Mặc dù thế thì nguồn gốc của dây cót vẫn rất mơ hồ.  

Claire Vincent – người quản lý bộ sưu tập đồng hồ và đồng hồ đeo tay tại bảo tàng nghệ thuật Metropolitan Museum of Art viết trong quyển sách European Clocks and Watches In The Metropolitan Museum of Art rằng: nguồn gốc công nghệ thích hợp nhất của đồng hồ là miền bắc Italy.

“The art of making the mainsprings of watches and clocks is perhaps, of all mechanical manipulations, that which provides the most physical knowledge of the properties of steel.”

– William Blakey, THE ART OF MAKING WATCH SPRINGS, 1780

“Nghệ thuật chế tạo dây cót của đồng hồ đeo tay và đồng hồ có lẽ là tất cả các thao tác cơ học, cung cấp kiến thức vật lý về các tính chất của thép.”

Tiếp tục, vấn đề kế đến là việc sử dụng lò xo thép để cung cấp năng lượng. Thép ở đây phải có các tính chất rất cụ thể: vừa đàn hồi vừa dẻo dai, sử dụng trong nhiều chu kỳ lặp lại và không vỡ cấu trúc do mỏi kim loại. Bạn biết đấy, dây cót bị hỏng không chỉ là sự bất tiện, nó có thể dẫn đến việc “phát nổ” phần lớn năng lượng còn sót lại của dây cót, ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống bánh răng, làm hư hỏng nặng hoặc phá hủy cơ chế đồng hồ.

(Loài lề: thế nên nhớ lưu ý lên dây cót đúng cách cho đồng hồ cơ để tránh hư hỏng nhé). 

Độ cứng và độ đàn hồi của thép phụ thuộc nhiều vào sự biến đổi hóa học theo thời gian và hợp kim thép cũng cực kỳ nhạy cảm, về mặt tính chất cuối cùng của chúng cũng như về cách chúng được gia công. Định nghĩa đơn giản nhất của thép: nó là hợp kim của sắt và carbon. Ở cấp độ thấp, có thể có ít nhất 0,002% carbon; ở cấp cao, không quá khoảng 2,14% (đây là hợp kim sắt-carbon đơn giản). Hơn thế nữa, bạn có gang (có thể được gia công thành sắt rèn hoặc tinh chế hơn nữa để sử dụng như gang) và kế tiếp là sắt gần như tinh khiết, rất mềm và dễ uốn. Trong phạm vi như thế, một lượng thép với tính chất khổng lồ có thể được sản xuất ra.

Dây cót làm bằng thép rất mỏng, rất dẻo, được cuộn lại thành hình xoắn ốc và đặt trong một cái barrel (nhiều người còn gọi nó là thùng năng lượng). Trung tâm được gắn một arbor, cuối cùng là đậy lại bằng cái nắp Barrel Cover mà bạn thấy trong hình. Arbor sẽ được quay bằng núm vương miện khi bạn lên dây cót đồng hồ. Và khi không lên dây cót nữa, arbor sẽ được cố định bởi cái gọi là “click”. Trong lúc mà arbor không thể xoay, dựa vào sự truyền lực của dây cót mà thùng barrel sẽ xoay và bánh răng trên barrel sẽ khớp với hệ thống bánh răng thời gian và di chuyển chúng. 

Bộ phận chịu ảnh hưởng trực tiếp từ thùng barrel là bánh xe chính main-wheel (hay còn gọi là center wheel) quay giáp 1 vòng mỗi 12 tiếng. Mỗi bánh răng trong hệ thống bánh xe, cái sau sẽ quanh nhanh hơn cái trước, do đó, khi chúng ta quan sát đến bánh xe cuối cùng (nằm trước bánh xe thoát balance wheel) thì nó cũng là bánh xe điều khiển kim giây – quay giáp vòng mỗi phút.

Trong một chiếc đồng hồ có bộ máy cơ truyền thống, bạn sẽ thấy được ô cửa sổ phụ hiển thị giây ở vị trí 6 giờ (tương tự như hình bên trên). Điều này khá đơn giản thôi, chúng ta chỉ cần đặt kim giây lên trục của bánh xe thứ tư là được. 

Nếu đã nói đến đồng hồ cơ thì phải kể đến tận 2 lò xo lận. Bất kể một bộ máy cơ khí nào của đồng hồ (từ hand-winding cho đến automatic) đều có ít nhất 2 lò xo: 1 cái đóng vai trò là dây cót đồng hồ, cung cấp năng lượng để vận hành bộ máy. Và 1 cái còn lại là dây tóc (hair-spring hay còn gọi là lò xo cân bằng), có tác dụng điều chỉnh chuyển động của bánh xe cân bằng, đảm bảo cho đồng hồ đi đúng giờ (theo một cách tương đối).

Cùng là lò xo, nhưng dây tóc đồng hồ lại được coi trọng hơn hẳn, tiêu biểu như việc phát triển của dây tóc silicon tối tân nhất ở hiện tại cũng là một thành quả nghiên cứu sáng giá của ngành chế tạo đồng hồ. Mặc dù thực tế cho thấy, ngày nay chúng ta không mấy quan tâm đến dây cót đồng hồ, thậm chí hầu hết những hãng đồng hồ lớn nhỏ khác nhau đều không hề cho ra cải tiến mới nào về nó, tuy nhiên, phần lớn trong lịch sử chế tạo đồng hồ, bản thân dây cót cũng là một nghệ thuật và mang tính chuyên môn cao. 

Những tài liệu lịch sử về kỹ thuật chế tạo đồng hồ trải qua rất nhiều giai đoạn thăng trầm của nhân loại đã sớm bị gián đoạn, nhưng theo một vài phân tích của các chuyên gia trên thế giới, dây cót đồng hồ là sự hợp tác giữa hàng chục thợ thủ công khác nhau. 

Việc sản xuất dây cót đồng hồ bắt đầu bằng thép chất lượng cao, được làm từ quặng sắt mang những đặc tính khác biệt đáng kể về chất lượng; sau đó nó đã được gia công, qua một số bước cần thiết để tạo ra thành phẩm hoàn chỉnh và dây cót đồng hồ của thế kỷ 18 là thành quả của nhiều ngày lao động cẩn thận. 

Việc dây cót bị xem nhẹ bởi hầu hết những người đam mê đồng hồ ngày nay khiến chúng ta khó hiểu tại sao chúng lại được sinh ra dưới bàn tay của các chuyên gia. Nhưng bạn hãy nhớ rằng: việc chế tạo một lát thép mỏng, linh hoạt và dẻo dai để có thể cuộn trong vào một cái thùng chỉ rộng vài centimet là một chuỗi các kỹ thuật thủ cộng. Qua đây, chúng ta sẽ bắt đầu hiểu tại sao các thợ làm đồng hồ lại đặt hàng chúng thay vì cố gắng tự làm chúng. 

Quá trình này được ghi chép lại trong một cuốn sách thế kỷ 18 có tựa đề L’Art de Faire les Ressorts de Montres (hay The Art Of Making Watch Springs), được biết bởi một người Anh tên William Blakey, đã từng làm việc ở cả Anh và Hà Lan, và được sản xuất tại Amsterdam bằng tiếng Pháp, bởi Marc-Michel Rey vào năm 1780. Gần đây, nó đã được Richard Watkins dịch sang tiếng Anh và nếu bạn có hứng thú với nó, bạn có thể tìm đọc. 

Chế tạo thép chất lượng cao với tiêu chuẩn kiểm soát nghiêm ngặt và số lượng lớn rõ ràng là thực cần thiết cho ngành công nghiệp chế tạo đồng hồ nói chung và sản xuất hàng loạt dây cót nói riêng, nhưng nó đã không thực sự bắt đầu cho đến gần một trăm năm sau khi William Blakey viết chuyên luận. Khi đó, đã có vô số những cải tiến khác làm cho công nghiệp đồng hồ trở nên khả thi. Điều này có nghĩa là ở thời kỳ đầu, các nhà máy có thể sản xuất một số lượng lớn các thành phần có thể hoán đổi cho nhau. 

Quy trình rẻ tiền đầu tiên để sản xuất thép với số lượng công nghiệp là quy trình Bessemer, trong đó không khí được được ép qua sắt nóng chảy dưới áp suất, đốt cháy tạp chất. Nhà phát minh Henry Bessemer bắt đầu sử dụng quy trình mang tên mình tại xưởng thép của mình ở Sheffield, Anh vào năm 1855 và được cấp bằng sáng chế cho quy trình một năm sau đó – thật hữu ích khi quy trình Bessemer cuối cùng vẫn hoạt động cho đến những năm 1960.

Dây cót đồng hồ thép carbon là một kỳ quan luyện kim trong thời đại của họ, nhưng ngay cả khi nó được hoàn thành ở mức tốt nhất, nó vẫn có những sai sót nhất định. Vấn đề lớn nhất là dây cót thép carbon có thể mất độ đàn hồi theo thời gian: dây cót cuối cùng sẽ trở nên yếu ớt để tác động tiêu cực đến cả dự trữ năng lượng tổng thể và biên độ cân bằng trong suốt thời gian hoạt động của đồng hồ. Lựa chọn duy nhất tại thời điểm đó là thay thế nó. 

Sau Thế chiến II, thép carbon đã dần được thay thế bằng các hợp kim phức tạp hơn và quy trình luyện kim cũng rườm rà hơn, không bị mất tính đàn hồi và ít bị phá vỡ hơn. Ngày nay, sản xuất dây cót có lẽ thậm chí còn là công việc đòi hỏi chuyên môn cao hơn so với thế kỷ 20, và nhờ nhu cầu về sự nhất quán tuyệt đối trong sản xuất, phần lớn công việc thực hiện đã được tự động hóa. Tuy nhiên, nó cũng không kém phần thú vị, và vẫn là một quy trình phức tạp hơn nhiều so với bạn tưởng tượng – Peter Speake-Marin có một cái nhìn tuyệt vời về những điều cơ bản của các quy trình ngày nay để sản xuất dây cót, tại The Naked Watchmaker.

Một dây cót hợp kim hiện đại như vậy là Nivaflex, được sản xuất bởi Nivarox, đây là một vật liệu rất phức tạp. Trong một bài viết về các sản phẩm dây cót hiện đại, Gisbert Brunner lưu ý: “Theo trọng lượng, Nivaflex bao gồm 45% coban (cobalt), 21% niken, 18% crôm, 5% sắt, 4% vonfram, 4% molybdenum, 4% titan và 0,2% beryllium; carbon chiếm ít hơn 0,1% trọng lượng của hợp kim này. Tăng tỷ lệ beryllium trong hợp kim làm tăng thêm sức mạnh và độ cứng của nó, những yếu tố rất quan trọng đối với việc thu nhỏ kích thước.”

Một dây cót hợp kim hiện đại khác là SPRON 510, được sản xuất và sử dụng bởi Seiko Instruments Inc. (SII). SPRON 510 là một hợp kim của coban, niken, molybdenum và các nguyên tố khác. Tương tự như SPRON 510, nó có khả năng chống vỡ cao và mệt mỏi kim loại do căng thẳng. Nó không từ tính và cung cấp năng lượng rất ổn định trong thời gian chạy của đồng hồ. Dây cót hợp kim hiện đại, kèm theo chế tạo độ chính xác cao của các thành phần khác khiến cho mức năng lượng dự trữ của đồng hồ được kéo dài hơn và lâu hơn. 

Như đã đề cập từ ban đầu, không có dây cót đồng hồ sẽ không có chế tạo đồng hồ. Và vì dây cót là thành phần không thể thiếu đối với đồng hồ, điều này đặt ra câu hỏi: Chiếc đồng hồ đầu tiên được sản xuất khi nào? 

Giống như nguồn gốc của dây cót, điều này khó có thể xác định được thông tin chính xác và chắc chắn nhất. Quá nhiều thứ đã diễn ra trong lịch sử khiến những thông tin lưu trữ chỉ còn bảo toàn tốt nhất vào khoảng thế kỷ 15, và trong mọi trường hợp, không có sự phân biệt cụ thể nào có thể được đưa ra cho một chiếc đồng hồ nhỏ và đồng hồ đeo tay.  

Những kỹ năng và phương pháp này phần lớn bị mất. Giống như toàn bộ lịch sử chế tạo đồng hồ, lịch sử chế tạo dây cót đồng hồ cũng là một câu chuyện về những tiến bộ trong khoa học vật liệu và tự động hóa như mọi thứ khác. Mặc dù những hoạt động của dây cót phần lớn sẽ không thể nhìn thấy, không có cảm nhận càng không thể mang đến giá trị về thẩm mỹ của bộ máy, tuy nhiên, nó lại thể hiện sự tiến hóa trong quá khứ, hiện tại và tương lai của chế tạo đồng hồ.

Luxury Shopping Care