打字机原理：亲手打字，观察手动机构

从按键到字母出现，中间发生了什么

打字机原理是什么？每个按键都是一根杠杆，通过连杆牵动末端带有字母的钢制字杆。按下键，字杆就会摆起，撞击着墨色带，把字母印在纸上；随后擒纵机构放行，让弹簧把字车拉过一个字位。

按下老式办公打字机的键，几分之一秒内会发生三件事：一根钢臂从机身里跃起，纸上伴着清脆的敲击声出现字母，整根滚筒向左挪动一点。机器没有接电。能量只来自手指，以及你上次推回字车时重新上紧的弹簧。

上方模型是一台手动前击式打字机，办公室在二十世纪的大部分时间里都使用这类机器。你可以用自己的键盘或屏幕按键打字，页面按一次击键的先后顺序展示各个零件的工作。

一次击键依次用到的零件

1. 按键与键杆：圆形按键装在长杠杆的前端。
2. 字杆：键杆牵动 40 根钢臂中的一根，它们排成半圆，称为字篮。
3. 字模：字杆末端的小金属块，刻着两个镜像字符。
4. 色带：着墨布带在字模与纸张之间升起。
5. 压纸滚筒：固定纸张并承受撞击的橡胶滚筒。
6. 擒纵机构：星轮和摆动棘爪让字车恰好移动一个字符。
7. 主发条：卷在发条盒里的弹簧牵引字车。
8. 铃：接近行尾时响起。
9. 回车杆：转动滚筒送入下一行，并推回字车。
10. 换挡机构：抬高字车，让字模上的第二个字符印出。

字杆为什么要摆过这么大的角度

早期商用机 Sholes and Glidden 于 1874 年面世，字杆在字车下方围成一圈，向上撞击滚筒底部。不抬起字车，就看不到正在输入的行。后来的「可视」机器把字篮移到滚筒前方，让字杆向前击打。Daugherty Visible 出现于 1893 年，1896 年的 Underwood 则使前击成为常规结构。

可视结构必须满足几何条件。40 根字杆都要击中滚筒上同一小点，但各自的转轴却沿圆弧分布。模型中每根字杆长 70 mm，静止时几乎平放，向下倾斜约 10 度，末端搁在毡垫上。牵动后它摆过约 110 度，从前下方到达印字点。各转轴位于以该点为圆心的圆上，因此所有字杆经过相同距离，落在同一位置。打开「查看内部」，观察所按的字杆：它从扇形阵列中升起，触到色带，再落回去。

字杆并不是全程被推着走。打字者快速敲键，字杆靠自身惯性走完最后一段，再从滚筒弹开。在真机上缓慢按键，印出的字会很淡，甚至完全不出字。

色带如何把墨送到纸上

字模从不直接接触纸张。两者之间穿过一条浸有油墨的布带，绕在两个卷轴上。许多色带分成两种颜色，上半黑、下半红，用拨杆选择受击的一半。模型也使用黑红双色带。

色带平时停在印字行下方，方便打字者阅读刚输入的内容。细小的导架称为色带升降器，会在每次撞击前把色带抬进间隙，随后再放下。每次击打后，卷轴转过一点，让下一个字接触新鲜油墨。慢动作步骤可以看到顺序：色带升起、字模前进、字模退回、色带落下。

字车为什么每次只移动一个字位

每印一个字，纸张都必须向左移动一个字位，而且不能多走。如果只用弹簧拉字车，它会瞬间跑到末端。让它逐步移动的装置就是擒纵机构，Sholes and Glidden 从钟表机构借用了这一思路。

模型在字车下方固定一根直齿条。一个小齿轮与齿条啮合，同轴装着有 20 个尖齿的星轮。称为棘爪的摆动零件卡住星轮的一个齿。主发条始终向左拉字车，因此星轮一直有转动的趋势。

按键下降时，所有字杆下方的通用横杆带动棘爪摆动。一个卡爪放开当前的齿，另一个则伸入以接住下一个齿。松键时，棘爪摆回，星轮恰好前进一个齿。字车移动一个字位后再次停住。空格键也驱动棘爪，因此空格与字母占据完全相同的宽度。

核对这些数字

英语国家的打字机形成了两种常见字距。Pica 每英寸印 10 个字符，elite 印 12 个；这个模型每英寸送纸 6 行。模型采用 pica。

• 一个字符：25.4 mm / 10 = 2.54 mm。每个字母、空格或标点都会让字车移动这么远。
• 模型的一行：40 个字符 × 2.54 mm = 101.6 mm。
• 一个行距：25.4 mm / 6 = 4.23 mm。1½ 倍行距为 6.35 mm，双倍行距为 8.47 mm。
• 小齿轮有 20 个齿，每 20 个字符转一圈，因此节圆周长为 20 × 2.54 mm = 50.8 mm，半径为 50.8 / 2π = 8.1 mm。
• 纸张是 US letter，216 × 279 mm。上下各留 30 mm，便有（279 − 60）/ 4.23 = 51.8，所以一页能容纳 52 行单倍行距文字。
• 模型滚筒直径为 38 mm。送入一行需转过 4.23 / 19 = 0.22 弧度，约 12.8 度。

这类打字机的每个字符等宽。窄小的 i 与宽大的 M 占据相同空间，因此各列很整齐，词内的字母间距却显得松散。

铃声与行尾

打字者看着按键，而非纸张，所以机器必须提醒一行即将用完。距右边界还有几个字时，小铃被敲响。模型在还剩六格时响铃，即 40 格中的第 34 格，留下完成短词或输入连字符的空间。

到第 40 格，边界挡块阻止字车继续走。模型的按键仍能压下，但不再印字，并出现回车提示。真机上的越界释放键能让打字者在挡块之外再挤入一两个字母。

一推完成回车和换行

回车杆位于字车左端。向右推会依次完成两件事。最初的一小段推动棘爪拨动滚筒端部的棘轮，使滚筒转过一倍、一倍半或两倍行距。随后回车杆抵住限位，余下的推程把整个字车送回左边界。回程还会重新上紧主发条，为下一行储能。

试着调整「行距」滑块，再按「回车」或 Enter。设定越大，棘轮每次转得越多，纸上的文字行也越分散。

换挡：一根字杆上的两个字符

每个字模上下带两个字符：上方大写、下方小写，或两个符号。通常下方字符对准印字点。按换挡键后，结构移位，让上方字符接触色带。模型中字模两字符相距 4.4 mm，字车也抬升同样的距离。

Sholes and Glidden 只印大写。1878 年的 Remington No. 2 首次用换挡键兼印大小写，让一根字杆承担两根的工作。实现方式有两种：字车换挡抬高字车和纸张；字篮换挡则降低整组扇形字杆，保持字车不动，使字车移动负担更轻。打开「字篮换挡」可看第二种结构。「锁定」键保持换挡状态，方便连续输入大写。

两根字杆发生碰撞时

模型的字杆转轴只相隔约 2.5 mm，所有字杆又汇聚到一个印字点。如果第一根尚未落回，第二根就开始升起，它们可能在半空相撞并卡住，需要打字者伸手分开。模型里，键盘上竖向相邻的键驱动字篮中相邻的字杆，所以 q 与 a、a 与 z 相邻。打开「字杆碰撞」，快速同时按 a 和 q，就能观察。

这项机械事实引出了一个著名的键盘布局故事。

QWERTY 布局从何而来

Wisconsin 的印刷工兼报纸编辑 Christopher Latham Sholes 与 Carlos Glidden、Samuel W. Soule 合作研制机器。他们的「Improvement in Type-Writing Machines」专利于 1868 年 6 月 23 日获批。首个模型的键盘像钢琴，字符按字母顺序排成两行。

接下来的五年里，Sholes 多次重排按键。到 1870 年 4 月，他已有一套四行、仅大写的键盘，外观接近现代布局。1873 年，资助者 James Densmore 把制造权卖给位于 Ilion, New York 的枪械与缝纫机制造商 E. Remington and Sons。Remington 的机械师用几个月完成布局，Sholes and Glidden 在 1874 年以约 $125 发售。

Sholes 的 1878 年 8 月 27 日专利所示布局接近今天，却并不相同。它没有 0 和 1 键，M 位于中排末端，X 与 C 互换。打字者用大写 I 或小写 l 代替数字一，用大写 O 代替零。模型保留这一习惯：没有 1 键，在你自己的键盘输入 1 会印出 l。QWERTY 随 Remington No. 2 的成功而传播，其他厂商逐渐采用。

卡杆的故事，以及历史学家的分歧

最广为人知的解释说，Sholes 把常见字母对分开，避免字杆相撞；有些版本还说他故意降低打字速度。回到专利与书信寻找证据的历史研究者，如 Kyoto University 的 Koichi 和 Motoko Yasuoka，发现布局演变要复杂得多。

另一些研究者认为这套故事站不住脚。Kyoto University 的 Koichi Yasuoka 与 Motoko Yasuoka 在 2011 年论文里沿专利和早期用户追踪键盘。他们认为布局来自记录莫尔斯电报的报务员反馈，而非机器结构的强制要求。他们举例说，美国莫尔斯码的 Z 容易与 SE 组合混淆，收报员会希望 S 同时靠近 Z 和 E。他们还指出，收报员若打得比发报员慢就会掉队，所以刻意减慢输入并不合理。批评者也提醒，E 与 R 紧挨着，而「er」恰是英语中最常见的组合之一。

也有完全不可能发生字杆相撞的机器：Thomas Edison 的 1872 年印字轮装置、采用弧形字梭的 Hammond，以及 1893 年带字轮和自有「Ideal」键盘的 Blickensderfer。因此，QWERTY 并非防卡问题唯一可能的答案。

1874 年之后的历史更容易核实。August Dvorak 与 William Dealey 在 1932 年申请新布局专利，1936 年获批。早期研究支持它，但许多研究由 Dvorak 本人主持。Earle Strong 为 US General Services Administration 进行的 1956 年研究没有发现优势，批评者也认为该研究有偏见。经济学家 Paul David 在 1985 年把 QWERTY 当作早期选择形成锁定的经典案例。Stan Liebowitz 与 Stephen Margolis 于 1990 年发表「The Fable of the Keys」，回应称 Dvorak 明显更快的证据不足。争论仍在继续，而模型让你亲手试验其中的机械部分。

模型与真机的区别

• 每行仅 40 个字符，便于把整个字车放进屏幕。真机字车宽得多，能印更长的行。
• 模型有 40 根字杆和一个换挡机构。真机通常按键更多，还有制表器、越界释放键，以及让字车退一个齿的退格键。
• 键杆、字杆连杆和通用横杆被简化为每键一根杠杆；擒纵机构则只显示一个星轮和双卡爪棘爪。
• 每根字杆落在纸上的高度略有不同，模拟磨损机器。偏移量为视觉效果设定，并非实测。
• 模型的响铃位置固定在边界前六格。真机的铃通常与可调右边界挡块相连。
• 声音由浏览器合成，只有打开后才播放。

手指的杠杆计算

键杆不会制造能量。它用距离换取力，而字杆还带来必须先加速才能印字的转动质量。为说明差别，假设简化连杆中按键走 10 mm，输出连杆走 5 mm。这是教学假设，不是对上方机器的测量。如果手指平均施力 2 N，输入功为 2 N × 0.010 m = 0.020 J。若没有摩擦，也没有能量存入弹簧，输出端可在 0.005 m 行程上施加平均 4 N 的力。更短的行程换得更大的力。

字模距转轴比驱动连杆连接点更远，因此连杆的小位移能变成字模的大位移，但切向力更小。不能用同一个比值同时描述键杆与整套字杆动作。真机的有效力臂还会随击键角度变化。帮助静止字杆抬起的初始杠杆比，不一定等于撞击前的杠杆比。

模型字杆长 70 mm，摆过约 110 度，末端沿弧线走约 70 × 110 × π / 180 = 134 mm。这是弯曲路径，不是向纸张直行 134 mm。也不能把 134 mm 与假定的 10 mm 键程相除，宣称得到实测力比。屏幕动画不是力学仿真，不求解变化的连杆几何，也不计算摩擦。

能量估算说明了短促击键为何比缓慢按压有效。只为这个例子，假设输入功有 0.010 J 留作有效运动质量 0.010 kg 的动能。由 E = mv² / 2，速度为 √(2 × 0.010 / 0.010) = 1.41 m/s。有效质量是撞击点的等效质量，不是测得的字杆重量。弹簧、摩擦和其他运动零件消耗剩余输入能量。单凭动能仍不能求出峰值撞击力：它还取决于停止距离，以及色带、纸和滚筒的变形。同样一次击键，硬滚筒与软滚筒未必产生相同印痕。

韩文不只是换一套字母

只替换英语打字机的字模，不足以自然打印韩文。韩文把初声辅音、中声元音和可选的终声辅音组合成音节块。机构必须判断下个部件放在哪里，而非给每个部件单独一个全宽格。即使语言上相关，终声辅音与初声辅音的位置也不同。

眼科医生 Kong Byung-woo 研制三套键方案，按这些角色分配按键。National Hangeul Museum 的叙述把 1948 年的研发与 1949 年全国科学展览获奖区分开，又描述了 1950 年在 Underwood 协助下改进的原型。所以 1949 是有记录的里程碑，不应把发明和制造的所有阶段压进同一年。博物馆藏品文章也比较了 Kong 的机器与 Song Ki-ju 的四套键机器。

三套指初声、中声和终声部件，不是三行字母，也不是每个音节固定按三次。没有终声的音节不需要终声键。Kong 的设计偏重快速横向组合，参差的底边被昵称为晾衣绳体。这是在方整音节块与快速操作之间的实际折衷。上面所述模型不能复现这种组合：其等宽拉丁字模和 2.54 mm 步进展示另一套文字系统。向页面输入韩文，不会自动把机构变成韩文打字机。

Selectric 改变了运动的部件

1961 年的 IBM Selectric 用单个字头取代成扇形排列的独立字杆。球形字头通过旋转与倾斜，在 88 个字符中选择。字头沿印字行移动，纸张水平方向不动；滚筒仍会转动以送入新行。没有相邻字杆同时升向同一间隙，原来的撞杆机构便消失了。其他故障仍可能发生，因此不再发生这一种卡顿，并不代表不需维护。

SFMOMA 的 Selectric 修复文章解释了另一个结果：换球就能换字体。这不意味着最初的 Selectric 是计算机。选字与撞击属于机电动作，电机供能不同于电子存储文本。IBM 历史把 Magnetic Tape Selectric Typewriter 定在 1964 年。记录字符允许重复使用文本，而此页手动机只把记录留在纸上。

后来的电子打字机可以把输入和印字分开。IBM 称其 1978 年 Model 75 能存 15,500 个字符，约 10 页双倍行距文本。字符容量更可靠，因为页数随页边距和行距变化。菊花字轮也是可更换的印字部件，但它是平面的，不是球形。Science Museum Group 保存着一只标为 1970-1976 年的 Legal Prestige Elite 12 字轮。电机选中轮上的字符，锤头击打对应花瓣。它不是由分别转动的字杆组成的字篮，尽管纸上效果可能相似。

常见误解

演示中卡杆，只能证明程序条件下两个模拟字杆可以相撞，不能证明 Sholes 为何把 QWERTY 每个字母放在那里。Yasuoka 与 Yasuoka 的 2011 年论文研究文献顺序和电报使用，属于与机械动画不同的历史证据。真实机器中，键盘邻键也未必总对应字篮中的相邻字杆。这里的映射是刻意简化。

打字速度若没有测试规范，也是不完整的数字。短时爆发、持续抄写和经过纠错的办公文本衡量不同内容。除非说明一个「词」的定义和错误如何处理，否则物理击键数不能直接与每分钟词数比较。动画速度只控制播放，不是认证比赛或手指力的测量，不应作为人类打字纪录。

最后，字距与行距彼此独立。Pica 每英寸 10 个字符描述水平步进，不是字母高度，也不强制每英寸送纸六行。模型自行选择这一纵向进纸量；真机可用设置由行距机构决定。改变行距，不会缩小 2.54 mm 的字符步进。

在屏幕上试一试

先点击机器再使用实体键盘，让展品接收击键。打开「查看内部」，按一个字母，等字杆回位再按。随后打开「字杆碰撞」，紧接着按 a 和 q，并与分开击键比较。要观察的是动作在时间上重叠，而非字样变化。这只检验模型中特定的字篮映射。

接着按住换挡键输入同一字母。观察移动的组件，再打开「字篮换挡」重复。印出的大小写可以相同，提供位移的组件却不同。另做一次试验，改变「行距」并「回车」。应比较基线间距，而非字母宽度。回车同时结合进纸与横向运动，但它们是独立动作。

检查边界时，先选「新纸张」，输入字符和空格直到铃响。空格也占列。模型在 40 列挡块前六个位置响铃；「回车」另起一行，而不是延长当前行。这些控制都不测量真实磨损，也不会修复历史机器，只把封闭机壳内全速运行时难以看清的动作分开显示。

同一舞台上的六种机器

模型上方的「机器」菜单会替换整个机构。每台都在同一张纸上印字，步进同为 2.54 mm，行距同为 4.23 mm，因此改变的只有字母到达纸张的方式。

• 前击式。 上文的机器：字杆从字篮升起，击打滚筒前方，所以能看见文字行。Science Museum Group 称 1897 年 Underwood No. 1 首次把书写区朝向用户，字杆在按键前隐藏。
• Sholes and Glidden 底击式。 44 根字杆在字车下方围成环，向上击打滚筒底部，正在打印的行看不见。模型需输入约七行，首行才绕到前方；也可用「抬起字车」向后翻，如 Remington No. 2 用户的做法。它只打大写，与 Smithsonian 对 1874 年机器的说明一致。
• 字轮式。 小鼓上有三行字符：小写、大写和数字。击键让字鼓转到目标字母，再向下、向前压向纸张，途中由着墨滚轮刷墨。Museums Victoria 对 Blick Featherweight 描述了相同动作。大写和数字键把字鼓滑向另一行，不抬高字车。
• 字球式。 据 Science Museum Group，1961 年 IBM 72，即首代 Selectric，在一个可换字头上装有 88 个字符。模型中球体转动、倾斜选字后敲纸；字车不动，字球托架沿行移动。「字头」控制更换球体，在同一行切换字体。
• 韩文三套键。 使用前击式机身和 Kong Byung-woo 的键盘思路，下一节详述。
• 菊花字轮式。 模拟 1980 年代风格的电子机。模型的平面轮有 96 个花瓣，旋转到目标花瓣朝上，再由锤头击打。这台的「退格」会把最后字符从纸上去除，类似纠错带。花瓣数是模型设定；Science Museum Group 的 Qume 字轮是真实部件实例。

这些额外机器都不是某个序列号实物的复制品。大小和颜色为屏幕而选，遵循史料的是每次印字动作的事件顺序。

Kong Byung-woo 的双焦点

韩文音节把初声辅音、元音和有时出现的终声辅音放进一个方块。每按键就前进一步的机器，会把一个方块打成三个字位。Kong 的美国专利 2,625,251 于 1949 年 7 月 8 日申请，1953 年 1 月 13 日获批，用两个印字点解决问题。第一组键在第一焦点印初声并移动字车；第二组在左侧一格的第二焦点印元音和终声，字车不动。因此打印 han 时，先印 h 并前进，随后 a 与终声 n 落进 h 刚使用的位置。

模型中白键为初声，绿键为元音和终声；左侧深绿色一列放终声。National Hangeul Museum 记载相同分组：初声在右、元音在左、终声在最左边。屏幕的具体键位图是模型自设，不是 1949 年键位图的复制。每个部件只有一种形状，所以无终声音节较短，有终声的较高。博物馆给这种不齐的基线取名晾衣绳体，并指出三套键字形只需要 67 种部件形状。

国家遗产记录称第一款量产机由 Underwood 为 Kong 制造后运往韩国，曾在朝鲜战争期间使用。试做输入「韩文」一词的任务，观察不带进位的键如何工作。

图鉴：来自博物馆记录的 52 台机器

「图鉴」按钮打开博物馆目录中的 52 台打字机，大部分来自伦敦 Science Museum Group，也包括 National Hangeul Museum、韩国国家遗产名录、Smithsonian 和 Museums Victoria。每张卡列出博物馆所记日期、制造者、制造国家、印字方式、键盘和文字系统。记录未说明国家或键盘时，卡片写「未记录」，不会猜测。

可以按方式（前击、底击、字轮、指示式、字球、菊花字轮等）、时期、国家和文字筛选，也能搜索型号与制造者。带有 3D 对应方式的卡片会在舞台上打开机器。没有模型的方式，如 Malling-Hansen 写字球或中日文活字盘机器，仅保留卡片，不提供 3D。列表显示多种方式长期共存：底击式 Remington、指示式和便携字轮机在 1890 年代都在销售。

键盘布局试验

「布局」按钮在六种键盘上输入相同句子，计算连续两个字母来自相邻字杆的次数；模型中只有这种情况会撞杆。按键映射为模型规则：列 i、行 r 的键驱动字杆 4i + r。真机连杆顺序不同，所以测试描述模型，而非某一台实物。

按这一规则，在 133 个字母的英语样本中，QWERTY 有 108 对中的 4 对相邻（3.7%），AZERTY 为 106 对中的 4 对，QWERTZ 为 108 对中的 4 对，Dvorak 为 108 对中的 1 对。50 个音节的韩语样本中，两套键是 108 对中的 2 对，模型三套键为 107 对中的 0 对，因为元音和终声键在其他列。样本数量很小，换种连杆顺序就会得到别的数字。它们不能说明 Sholes 选择布局的原因。历史问题要查文献，可从下方引用的 Yasuoka 论文及 Liebowitz 和 Margolis 文章开始。