Escape de ancla - Anchor escapement

Animación que muestra el funcionamiento de un escape de ancla.
Escape de ancla.
El ancla y la rueda de escape de un reloj de finales del siglo XIX. La placa que normalmente sostiene el extremo delantero de los piñones se ha eliminado para mayor claridad. El péndulo está detrás de la placa trasera.

En relojería , el escape de ancla es un tipo de escape utilizado en relojes de péndulo . El escape es un mecanismo en un reloj mecánico que mantiene la oscilación del péndulo dándole un pequeño empujón en cada oscilación, y permite que las ruedas del reloj avancen una cantidad fija con cada oscilación, moviendo las manecillas del reloj hacia adelante. El escape del ancla se llama así porque una de sus partes principales tiene la forma vagamente parecida al ancla de un barco.

El escape de ancla probablemente fue inventado por el científico británico Robert Hooke alrededor de 1657, aunque algunas referencias dan crédito al relojero William Clement, quien popularizó el ancla en su invención del reloj de caja larga o abuelo alrededor de 1680. Cuando apareció el reloj de Clement, Hooke reclamó la invención del escape, diciendo que había mostrado un reloj con el mismo escape a la Royal Society poco después del gran incendio de 1666. El reloj de ancla más antiguo conocido es Wadham College Clock , un reloj de torre construido en Wadham College , Oxford , en 1670, probablemente por el relojero Joseph Knibb . El ancla se convirtió en el escape estándar utilizado en casi todos los relojes de péndulo.

Richard Towneley inventó alrededor de 1675 una variación más precisa sin retroceso, llamada escape sin movimiento, e introducida por el relojero británico George Graham alrededor de 1715. Esto reemplazó gradualmente al escape de ancla ordinario y se utiliza en la mayoría de los relojes de péndulo modernos.

Cómo funciona

El escape del ancla consta de dos partes: la rueda de escape , que es una rueda vertical con dientes puntiagudos que parecen dientes de sierra , y el ancla , con forma vagamente similar al ancla de un barco, que se balancea hacia adelante y hacia atrás sobre un pivote justo encima del escape. rueda. En los dos brazos del ancla hay caras curvas contra las que empujan los dientes de la rueda de escape, llamadas paletas . El eje central del ancla está unido a una horquilla empujada por el péndulo , por lo que el ancla se balancea hacia adelante y hacia atrás, con las paletas agarrando y soltando alternativamente un diente de la rueda de escape en cada lado.

Cada vez que una paleta se aleja de la rueda de escape, soltando un diente, la rueda gira y un diente del otro lado se engancha en la otra paleta, que se mueve hacia la rueda. El impulso del péndulo continúa moviendo la segunda paleta hacia la rueda, empujando la rueda de escape hacia atrás por una distancia, hasta que el péndulo invierte la dirección y la paleta comienza a alejarse de la rueda, con el diente deslizándose a lo largo de su superficie, empujándola. . Luego, el diente se desliza por el extremo de la paleta, comenzando el ciclo nuevamente.

Ni el escape de ancla ni la forma inactiva, a continuación, se inician automáticamente. El péndulo debe tener una oscilación para que se pongan en marcha.

Péndulo y escape de ancla.
(a) varilla de péndulo
(b) péndulo
(c) tuerca de ajuste de velocidad
(d) resorte de suspensión
(e) muleta
(f) horquilla
(g) rueda de escape
(h) ancla

Retroceso

El movimiento hacia atrás de la rueda de escape durante parte del ciclo, llamado retroceso , es una de las desventajas del escape del ancla. Da como resultado una inversión temporal de todo el tren de ruedas al peso de conducción con cada tic del reloj, lo que provoca un desgaste adicional en el tren de ruedas, desgaste excesivo de los dientes del engranaje e inexactitud. También puede hacer que las puntas de los dientes de la rueda de escape se claven en la superficie del palé. Los dientes están inclinados hacia atrás, en sentido contrario al de giro, y la superficie de los palets es ligeramente convexa para evitarlo.

Otra razón por la que los dientes de la rueda de escape están inclinados hacia atrás es como medida de seguridad. Si el reloj se mueve sin inmovilizar el péndulo, la oscilación incontrolada del péndulo puede provocar que las paletas de anclaje choquen violentamente con la rueda de escape. Los dientes inclinados aseguran que las caras planas de las paletas de anclaje golpeen primero los lados de los dientes, protegiendo los puntos delicados para que no se rompan.

El escape inactivo (abajo) no tiene retroceso. Una forma de determinar si un reloj de péndulo antiguo tiene un ancla o un escape inactivo es observar el segundero. Si se mueve ligeramente hacia atrás después de cada tic, mostrando retroceso, el reloj tiene un escape de ancla.

Muleta y tenedor

El eje del ancla, llamado muleta, termina en una horquilla que abraza el eje del péndulo, dándole impulsos transversales. La varilla del péndulo se cuelga de un resorte de suspensión recto corto unido a un soporte resistente directamente detrás del ancla. El pivote del ancla está alineado con el punto de flexión del resorte. Esta disposición da como resultado un soporte del péndulo más estable que simplemente suspender el péndulo directamente del ancla.

Detalles de diseño

El ancla es muy tolerante a las variaciones en su geometría, por lo que su forma varió ampliamente. A finales del siglo XIX, en Gran Bretaña, el diseño habitual era un ángulo de 90 ° entre las paletas, lo que significaba ubicar el pivote de anclaje a una distancia de 2 ≈ 1,4 veces el radio de la rueda de escape desde el pivote de la rueda de escape. En un reloj de pie , que tenía un péndulo que se balanceaba una vez por segundo, la rueda de escape a menudo tenía 30 dientes, lo que hacía que la rueda de escape girara una vez por minuto para que la manecilla de los segundos se pudiera unir a su eje. En una rueda de escape de 30 dientes, los palets abarcan unos 7½ dientes. El ángulo de impulso de las paletas, que determinó la oscilación del péndulo, fue de 3 ° -4 °.

Historia

El ancla fue el segundo escape ampliamente utilizado en Europa, reemplazando al primitivo escape de borde de 400 años de antigüedad en los relojes de péndulo . Los péndulos de los relojes de escape de borde tenían oscilaciones muy amplias de 80 ° a 100 °. En 1673, diecisiete años después de que inventara el reloj de péndulo, Christiaan Huygens publicó su análisis matemático de los péndulos, Horologium Oscillatorium . En él mostró que las amplias oscilaciones de péndulo de los relojes de borde provocaban que fueran inexactas, porque el período de oscilación del péndulo no era isócrono sino que variaba en un pequeño grado debido al error circular con cambios en la amplitud de la oscilación del péndulo, que Ocurrió con cambios inevitables en la fuerza motriz. La constatación de que sólo los pequeños movimientos pendulares eran casi isócronos motivó a los relojeros a diseñar escapes con pequeños cambios.

La principal ventaja del ancla era que al ubicar los pallets más lejos del pivote, la oscilación del péndulo se redujo de alrededor de 100 ° en los relojes de borde a solo 4 ° -6 °. Además de la precisión mejorada debido al isocronismo , esto permitió que los relojes usaran péndulos más largos, que tenían un "ritmo" más lento. La menor resistencia aerodinámica (la resistencia aerodinámica aumenta con el cuadrado de la velocidad, por lo que un péndulo más rápido experimenta una resistencia mucho mayor) significaba que necesitaban menos potencia para seguir balanceándose y causaba menos desgaste en el movimiento del reloj. El ancla también permitió el uso de un péndulo pesado sacudida por una fuerza de accionamiento determinado, por lo que el péndulo más independiente del escape (mayor Q ), y por lo tanto más preciso. Estos péndulos largos requerían cajas de reloj largas y estrechas. Alrededor de 1680, el relojero británico William Clement comenzó a vender los primeros relojes comerciales que usaban el escape de ancla, relojes altos independientes con péndulos de 1 metro (39 pulgadas) segundos contenidos dentro de una caja de reloj larga y estrecha que llegó a llamarse relojes de caja larga o `` abuelo ''. El ancla aumentó tanto la precisión de los relojes que alrededor de 1680-1690 el uso del minutero , anteriormente la excepción en los relojes, se convirtió en la regla.

El escape de ancla reemplazó al borde en los relojes de péndulo en unos cincuenta años, aunque los relojeros franceses continuaron usando los bordes hasta alrededor de 1800. Muchos relojes de borde se reconstruyeron con anclas. En el siglo XVIII, la forma inactiva más precisa del escape reemplazó al ancla en los reguladores de precisión, pero el ancla siguió siendo el caballo de batalla en los relojes de péndulo domésticos. Durante el siglo XIX, la forma inactiva se hizo cargo gradualmente en la mayoría de los relojes de calidad, pero la forma de ancla todavía se usa en algunos relojes de péndulo en la actualidad.

Desventajas

El escape de ancla es confiable y tolerante a grandes errores geométricos en su construcción, pero su funcionamiento es similar al antiguo escape de borde y conserva dos de las principales desventajas del borde:

  • Es un escape por fricción ; el péndulo siempre está siendo empujado por un diente de la rueda de escape durante todo su ciclo, y nunca se le permite oscilar libremente. Esto hace que la frecuencia del reloj sea sensible a los cambios en la fuerza motriz. Cualquier pequeño cambio en la fuerza aplicada a las paletas, por ejemplo por un cambio en la lubricación debido al envejecimiento del aceite, o la fuerza decreciente del resorte principal de un reloj cuando se agota, cambiará el período de oscilación del péndulo. Los relojes de escape de ancla accionados por un muelle real necesitaban un fusible para equilibrar la fuerza del muelle real.
  • Es un escape de retroceso como se mencionó anteriormente; el impulso del péndulo empuja la rueda de escape hacia atrás durante parte del ciclo. Esto provoca un desgaste adicional del movimiento y aplica una fuerza variable al péndulo, lo que provoca imprecisiones.

Escape de Deadbeat

Escape inactivo, que muestra: (a) rueda de escape, (b) paletas que muestran caras de bloqueo concéntricas, (c) muleta.

Las dos desventajas anteriores se eliminaron con la invención de una versión mejorada del escape de ancla: el escape de ritmo muerto o Graham . Esto a menudo se atribuye erróneamente al relojero inglés George Graham, quien lo introdujo alrededor de 1715 en sus relojes reguladores de precisión. Sin embargo, en realidad fue inventado alrededor de 1675 por el astrónomo Richard Towneley , y utilizado por primera vez por el mentor de Graham, Thomas Tompion, en un reloj construido para Sir Jonas Moore , y en los dos reguladores de precisión que hizo para el nuevo Observatorio de Greenwich en 1676, mencionado en la correspondencia entre el astrónomo Royal John Flamsteed y Towneley

La forma inactiva del escape de ancla es menos tolerante a la inexactitud en su fabricación o al desgaste durante la operación y se usó inicialmente solo en relojes de precisión, pero su uso se extendió durante el siglo XIX a la mayoría de los relojes de péndulo de calidad. Casi todos los relojes de péndulo fabricados en la actualidad lo utilizan.

Los relojes de torre son uno de los pocos tipos de relojes de péndulo que el escape de ancla no dominaba. La fuerza variable aplicada al tren de ruedas por las grandes manos exteriores, expuestas al viento, la nieve y las cargas de hielo, se manejó mejor mediante escapes de gravedad .

Cómo funciona

El escape deadbeat tiene dos caras de los palets, una cara de 'bloqueo' o 'muerta', con una superficie curva concéntrica con el eje sobre el que gira el ancla, y una cara de 'impulso' inclinada. Cuando un diente de la rueda de escape descansa contra una de las caras muertas, su fuerza se dirige a través del eje de pivote del ancla, por lo que no da impulso al péndulo, lo que le permite oscilar libremente. Cuando la paleta del otro lado suelta la rueda de escape, un diente aterriza primero en esta cara "muerta" y permanece apoyado contra ella durante la mayor parte del movimiento hacia afuera y el retorno del péndulo. Durante este período, la rueda de escape está "bloqueada" y no puede girar. Cerca de la parte inferior de la oscilación del péndulo, el diente se desliza desde la cara muerta hacia la cara inclinada de "impulso" del palé, lo que permite que la rueda de escape gire y dé un empujón al péndulo antes de caer del palé. Sigue siendo un escape de descanso por fricción porque el deslizamiento del diente de escape en la cara muerta agrega fricción al movimiento del péndulo, pero tiene menos fricción que el escape de retroceso porque no hay fuerza de retroceso.

En contraste con la inclinación hacia atrás de los dientes de la rueda de escape del ancla, los dientes de la rueda de escape del latido muerto son radiales o inclinados hacia adelante para garantizar que el diente haga contacto con la cara "muerta" de la paleta, evitando el retroceso.

La condición Airy

Los relojeros descubrieron en la década de 1700 que, para mayor precisión, el mejor lugar para aplicar el impulso para mantener el péndulo oscilando era en la parte inferior de su oscilación, a medida que pasa por su posición de equilibrio. Si el impulso se aplica durante la oscilación descendente del péndulo, antes de que llegue al fondo, la fuerza del impulso tiende a disminuir el período de oscilación, por lo que un aumento en la fuerza motriz hace que el reloj gane tiempo. Si el impulso se aplica durante el movimiento ascendente del péndulo, después de que llega al fondo, la fuerza del impulso tiende a aumentar el período de oscilación, por lo que un aumento en la fuerza motriz hace que el reloj pierda tiempo.

En 1826, el astrónomo británico George Airy demostró esto; específicamente, demostró que un péndulo que es impulsado por un impulso de impulsión que es simétrico con respecto a su posición de equilibrio inferior es isócrono para diferentes fuerzas de impulsión, ignorando la fricción, y que el escape del latido inactivo aproximadamente satisface esta condición. Estaría exactamente satisfecho si los dientes de la rueda de escape se hicieran caer exactamente en la esquina entre las dos caras de la paleta, pero para que el escape funcione de manera confiable, los dientes deben hacerse caer por encima de la esquina, en la cara "muerta".

Comparación de movimiento en anchor y deadbeat

Una de las principales causas de error en los relojes son los cambios en la fuerza motriz aplicada al escape, causada por pequeños cambios en la fricción de los engranajes o las paletas, o la fuerza decreciente del resorte real cuando se desenrolla. Un escape en el que los cambios en la fuerza motriz no afectan la velocidad se llama isócrono. El rendimiento superior del deadbeat sobre el retroceso se debe a un isocronismo mejorado. Esto se debe a las diferentes formas en que los cambios en la fuerza motriz afectan la oscilación del péndulo en los dos escapes:

  • En el escape del ancla , un aumento de la fuerza impulsora hace que el péndulo oscile hacia adelante y hacia atrás más rápidamente, pero no aumenta mucho la amplitud del péndulo , la longitud de su oscilación. La fuerza incrementada del diente de la rueda de escape sobre la paleta durante la parte de retroceso del ciclo tiende a disminuir la oscilación del péndulo, mientras que la fuerza del diente durante la parte de impulso hacia adelante del ciclo tiende a incrementar la oscilación del péndulo. Estos tienden a anularse entre sí, dejando el swing sin cambios. Pero ambos efectos disminuyen el tiempo de swing. En otras palabras, el aumento de la fuerza golpea el péndulo hacia adelante y hacia atrás en un arco fijo más rápido.
  • En el escape muerto , no hay retroceso y el aumento de la fuerza motriz hace que el péndulo oscile en un arco más amplio y se mueva más rápido. El tiempo necesario para cubrir la distancia adicional compensa exactamente el aumento de velocidad del péndulo, dejando el período de oscilación sin cambios. Sin embargo, la oscilación más amplia provoca un ligero aumento en el período debido al error circular . Para los relojes domésticos, este efecto es insignificante, pero es una limitación en la precisión que se puede lograr con los relojes reguladores de precisión con escapes inactivos.

Cuando se inventó el deadbeat, los relojeros inicialmente creyeron que tenía un isocronismo inferior al del ancla, debido al mayor efecto de los cambios en la fuerza en la amplitud del péndulo. Análisis recientes señalan que el no isocronismo del ancla puede cancelar el error circular del péndulo. Es decir, un aumento en la amplitud de oscilación provoca un ligero aumento en el período de un péndulo debido al error circular , y esto puede compensar el período disminuido debido al isocronismo. Debido a este efecto, un escape de ancla cuidadosamente ajustado con paletas pulidas podría ser más preciso que un punto muerto. Esto ha sido confirmado por al menos un experimento moderno.

Ver también

Referencias

enlaces externos