Hẳn mỗi khi nhìn thấy một chiếc đồng hồ cơ xa xỉ với mức giá "chạm nóc" của những siêu xe, biệt thự tiền tỉ, mọi người sẽ thường nghe ai đó đề cập đến cái tên Tourbillon. Thật vậy, một trong những thiết kế tưởng chừng như có vẻ đơn giản lại chính là di sản lâu đời bậc nhất của các bậc thầy nghệ nhân đồng hồ trong thế giới horology - thế giới của ngành chế tạo thủ công đồng hồ cơ nói riêng và các thiết bị lưu trữ thời gian nói chung. Nằm ngang hàng với các tính năng (complication) cực kì phức tạp khác như Minute Repeater (điểm chuông), Chronograph (bấm giờ), tuần trăng, lịch vạn niên,... chúng cùng kết tinh lại thành những sản phẩm xa xỉ, đẳng cấp; một kiệt tác cơ khí gọn gàng trên cổ tay chỉ dành cho giới quyền lực nhất hành tinh.
Khái niệm và lý thuyết vận hành của cơ cấu hồi trong đồng hồ cơ
Cơ cấu hồi (escapement) là một bộ phận nằm giữa bộ năng lượng nguồn – chủ yếu là dây cót (mainspring) – và bộ phận điều hòa (controller; harmonic osillator). Nếu không có cơ cấu hồi, toàn bộ dây cót vốn được quấn chặt sẽ bị tháo lỏng ra chỉ trong vài giây bởi vai trò của cơ cấu hồi chính là giải phóng năng lượng tiềm tàng trong dây cót với tần suất nhỏ, liên tục và cố định không đổi, từ dây cót đến bánh xe cân bằng (balance wheel), bảo đảm cho chiếc đồng hồ chạy đúng giờ.
Suốt lịch sử, đã có nhiều kiểu thiết kế cơ cấu hồi, như cơ cấu hồi vành, cơ cấu hồi hãm và cơ cấu hồi trụ, trong số chúng – với phần lớn hướng đến khả năng gia tăng độ chính xác của bộ máy, chỉ có một thiết kế ngoại lệ mà rốt cuộc đã được đặt lên làm tiêu chuẩn áp dụng cho cả ngành công nghiệp đồng hồ về sau: cơ cấu hồi đòn bẩy của Thụy Sĩ.
Thomas Mudge, một nghệ nhân đồng hồ danh tiếng người Anh, đã phát minh ra cơ cấu hồi vào khoảng giữa thập niên 50 của thế kỉ 18. Trong những thập kỉ tiếp theo, cơ cấu hồi ngày càng được tinh lọc, trau chuốt và cải tiến, để giờ đây trở thành cái tên nổi tiếng nhất ngành đồng hồ thế giới. Đôi khi được gọi bằng cái tên “cơ cấu hồi mỏ neo”, cơ cấu hồi đòn bẩy Thụy Sĩ gồm hai bộ phận chủ yếu: bánh răng điều chỉnh con lắc (escape wheel), và một linh kiện hình chữ Y được biết đến như đòn bẩy (lever), hay còn được gọi là chĩa ngạc hoặc mỏ neo. Đòn bẩy thực hiện chức năng đóng và mở khóa chặn khi bánh răng điều chỉnh – bánh răng cuối cùng trong bộ bánh răng truyền động – chạy và ngừng liên hồi nhờ vào tác động của chốt chặn (pallets) trong đòn bẩy. Nối giữa bánh răng điều chỉnh và bánh xe cân bằng, đòn bẩy sẽ đu đưa từ bên này qua bên kia như một con lắc.
Chuyển động này sẽ lặp đi lặp lại không ngừng suốt quá trình vận hành của chiếc đồng hồ (với một chiếc đồng hồ chạy với nhịp thông thường là 28.800 nhịp/giờ, bánh răng điều chỉnh và chĩa ngạc sẽ ăn khớp và tách nhau ra 700.000 lần trong khoảng thời gian 24 giờ). Có thể chỉ là một chuyển động nhỏ xíu, nhưng những gì cơ cấu hồi đảm nhận lại mang tính sống còn tuyệt đối với độ tin cậy của đồng hồ. Lý thuyết cốt lõi của cơ cấu này cho đến nay vẫn được kế thừa, cải tiến và áp dụng bởi những thương hiệu đồng hồ tên tuổi như Breguet, Rolex, Ulysse Nardin và Patek Philippe.
Lịch sử ra đời và cấu tạo của thiết kế Tourbillon
Mặc dù những chiếc đồng hồ cơ đầu tiên đã xuất hiện tại châu Âu từ thế kỉ thứ 17 (1601~1700) và cơ cấu hồi được phát minh vào giữa thế kỉ thứ 18, một trong những thách thức hàng đầu của ngành chế tạo đồng hồ trên toàn thế giới lúc bấy giờ là đảm bảo độ chính xác của đồng hồ khi vận hành, hay nói cách khác là bảo vệ ba bộ phận: chốt chặn, bánh xe cân bằng và vành tóc (hairspring, cùng với bánh xe cân bằng tạo thành bộ phận điều hòa) - chúng dễ bị ảnh hưởng nhất do các tác nhân bên ngoài như từ trường, chấn động, nhiệt độ làm thay đổi kết cấu đã được sắp xếp một cách tỉ mỉ. Rất may mắn, phần lớn trong số chúng theo thời gian đã được giải quyết gần như triệt để bằng cách nghiên cứu và sử dụng các loại vật liệu mới, cứng và bền bỉ hơn trước sự thay đổi của nhiệt độ hoặc va chạm bất ngờ.
Tuy nhiên, những bộ phận kể trên tự nó cũng là tác nhân tiềm tàng làm sai lệch quá trình vận hành, bao gồm các vấn đề về vị trí ghim vành tóc (pinning positions, ảnh hưởng đến cấu trúc hình học tổng thể của bộ phận điều hòa), hành trình co dãn của vành tóc (terminal curve, vành tóc vốn là một linh kiện lò xo, có khả năng dao động bất cân xứng) và sự phân bố trọng lượng của bánh xe cân bằng (heavy points on the balance wheel). Những vấn đề này bắt nguồn từ sự phổ biến của đồng hồ dạng quả quýt bắt đầu từ thế kỉ thứ 16, với thói quen luôn cho vào túi áo ngực hoặc treo lên móc trong nhà, làm cho trọng lực của Trái Đất kéo những bộ phận này xuống (trong khi bộ máy được lắp ráp nằm song song với mặt đồng hồ) dẫn đến sai sót khi vận hành. Đồng hồ đeo tay thời nay thì đây không còn là vấn đề nữa (sai số thấp do thay đổi phương hướng đồng hồ liên tục), nhưng tại thời điểm đó, giải quyết bài toán trọng lực gần như là mục tiêu cuối cùng của những người thợ đồng hồ xuất chúng nhất trời Âu, bao gồm Grossmann, Berthoud, Breguet, Caspari và Leroy.
Cho đến khoảng năm 1795, thợ đồng hồ Abraham-Louis Breguet phát triển thành công một thiết kế mà ông gọi là 'tourbillon', trong tiếng Pháp có nghĩa là 'vòi rồng', và đăng kí bản quyền vào năm 1801. Braguet đưa toàn bộ cơ cấu hồi và bộ phận điều hòa vào một chiếc lồng xoay 360 độ (rotating cage) quanh trục chính nó theo một chu kì cố định (thông thường là 1 vòng/phút). Nhờ lồng xoay này mà trên trung bình, ảnh hưởng của trọng lực Trái Đất lên sự vận hành của cơ cấu hồi và bộ phận điều hòa khi đặt thẳng đứng gần như bị triệt tiêu. Lý thuyết thì có vẻ đơn giản nhưng một thiết kế Tourbillon hoàn thiện có thể bao gồm hơn 70 linh kiện tinh vi khác nhau chưa kể kết nối với các bộ phận còn lại bên trong đồng hồ, khiến cho đến tận ngày nay, chúng vẫn còn là một thách thức và thành tựu cơ khí đỉnh cao của ngành chế tạo đồng hồ cơ.
Một số biến thể của thiết kế Tourbillon
Carrousel: là thiết kế ít nổi tiếng hơn người anh em Tourbillon, do Bahne Bonniksen, thợ đồng hồ người Đan Mạch phát minh tại London vào năm 1892. Carrousel chỉ khác biệt ở một điểm là sử dụng hai hệ thống bánh răng truyền động (gear train) riêng biệt, một từ trống [barrel, gắn với đầu dây cót để chuyển hóa thế năng đàn hồi thành động năng] đến cơ cấu hồi và một từ trống đến lồng xoay, thay vì hai bộ phận này (cơ cấu hồi, lồng xoay) được mắc nối tiếp với nhau như thiết kế Tourbillon. Do đó, trong thiết kế Carrousel, cơ cấu hồi và lồng xoay hoạt động độc lập với nhau, khi người dùng tắt cơ cấu lồng xoay thì cơ cấu hồi vẫn có thể hoạt động và đồng hồ vẫn chạy tiếp.
Tourbillon hai trục (Double-axis Tourbillon): do Anthony Randall phát minh và đăng kí bằng sáng chế năm 1977. Như tên gọi của nó, Tourbillon hai trục có lồng xoay quanh hai trục vuông góc cùng một lúc, với cùng một chu kì cố định. Năm 2004, một thợ đồng hồ người Đức tên Thomas Prescher đã phát minh thêm cơ chế truyền động năng remontoire cho Tourbillon hai trục. Cơ chế này loại bỏ gần như tuyệt đối sai số gây ra bởi sự đàn hồi của dây cót, ma sát và trọng lực trong quá trình vận hành.
Kết cấu cổ điển của một Tourbillon hai trục
Tourbillon kép; Tourbillon tứ (Double Tourbillon, Quadruple Tourbillon): Năm 2004, Robert Greubel và Stephen Forsey đã sáng lập hãng đồng hồ Greubel Forsey và giới thiệu đồng hồ cơ Double Tourbillon 30° với điểm nhấn là thiết kế lồng xoay nhỏ nghiêng góc 30°, chu kì 1 vòng/phút nằm bên trong lồng xoay lớn có chu kì 0.25 vòng/phút, được gọi là Asymmetric (bất đối xứng). Một năm sau, hãng Greubel Forsey tiếp tục cho ra mắt Quadruple Tourbillon à Différentiel, chiếc đồng hồ cơ với hai Tourbillon kép hoạt động độc lập với nhau nhưng vẫn nhận động năng từ một nguồn dây cót chính duy nhất nhờ vào hệ thống phân nhánh năng lượng hình cầu (spherical differential). Ngoài ra còn có các thiết kế Tourbillon kép đối xứng hoạt động cùng lúc.
Greubel Forsey Double Tourbillon 30° bất đối xứng
Mẫu Matt Arend 643 Classic Heritage Double Tourbillon đối xứng
Tourbillon ba trục (Triple-axis Tourbillon): Được Richard Good, học trò của nghệ nhân Thomas Prescher, lấy cảm hứng từ thiết kế Tourbillon hai trục của Anthony Randall, Tourbillon ba trục ra mắt lần đầu tiên vào những năm 1980 trên đồng hồ để bàn carriage clock. Prescher đã tham khảo sổ sách ghi chú ý tưởng, phát họa thiết kế Tourbillon ba trục của thầy Good để tìm cách thu nhỏ chúng vào bên trong đồng hồ đeo tay. Và thành quả của Prescher vào năm 2004 là chiếc đồng hồ cơ đeo tay đầu tiên có Tourbillon xoay đồng thời trên cả ba trục tọa độ, phá tan định kiến của toàn bộ giới chế tạo đồng hồ cho rằng đây là một thiết kế bất khả thi và phi thực tiễn. Ngày nay, các hãng sản xuất đồng hồ cơ chọn nhiều cách tiếp cận khác nhau cho giải pháp Tourbillon ba trục.
Mẫu đồng hồ cơ với thiết kế Tourbillon ba trục đầu tiên của Thomas Prescher chỉ sử dụng một cần trục, do đó cũng thuộc loại Tourbillon bay
Jacob & Co. Astronomia Tourbillon với giải pháp Tourbillon ba trục đầy sáng tạo
Thiết kế Tourbillon ba trục trên Vianney Halter Deep Space
Tourbillon bay (Flying Tourbillon): Thay vì được cố định bằng các trục xuyên tâm, thiết kế Tourbillon bay chỉ sử dụng duy nhất một cần trục để giữ cố định cho lồng xoay và các bộ phận liên quan. Đồng hồ cơ với thiết kế Tourbillon bay đầu tiên được chế tạo bởi Alfred Helwig, giảng viên lại trường Chế tạo Đồng hồ Đức (German School of Watchmaking) vào năm 1920.
Tourbillon hồi chuyển, Tourbillon đa trục (Gyrotourbillon, Multi-axis Tourbillon): Tiếp nối sự phát triển của thiết kế Tourbillon, hãng đồng hồ cơ xa xỉ Jaeger-LeCoultre đã giới thiệu Gyrotourbillon I vào năm 2004, chiếc đồng hồ cơ có thiết kế Tourbillon hồi chuyển hay Tourbillon đa trục, với cơ cấu hồi và lồng xoay thứ nhất xoay quanh hai trục, còn lồng xoay thứ hai bên ngoài xoay quanh một trục còn lại, do đó cũng có thể được coi là thiết kế Tourbillon ba trục.
Mẫu Gyrotourbillon I của hãng Jaeger-LeCoultre trứ danh
Cận cảnh quá trình lắp ráp thủ công Gyrotourbillon với hàng chục chi tiết, linh kiện hoạt động hoàn hảo với nhau
Tương tự nhiều tính năng phức tạp khác như Minute Repeater, Chronograph, tuần trăng, lịch vạn niên,... Tourbillon trên đồng hồ không còn thật sự hữu dụng và có ý nghĩa thực tiễn nữa mà đã trở thành một biểu tượng, một tác phẩm nghệ thuật cơ khí mang tinh thần thể hiện địa vị, chức tước và phẩm hạnh cao quý của chủ sở hữu. Nhưng dù những chiếc đồng hồ ấy có nằm trên tay ai đi nữa, chúng đích thực sẽ trở thành đại diện vượt thời gian cho tinh hoa ngàn năm nhân loại.
Nguồn: Theo tinhte.vn