Relój de péndulo - Pendulum clock

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Reloj de péndulo concebido por Galileo Galilei alrededor de 1637. El diseño de reloj de péndulo más antiguo conocido, nunca se completó.
Reloj de pared de péndulo estilo regulador de Viena

Un reloj de péndulo es un reloj que utiliza un péndulo , un peso oscilante, como elemento de cronometraje . La ventaja de un péndulo para el cronometraje es que es un oscilador armónico : oscila hacia adelante y hacia atrás en un intervalo de tiempo preciso que depende de su longitud y resiste oscilaciones a otras velocidades. Desde su invención en 1656 por Christiaan Huygens , inspirada por Galileo Galilei , hasta la década de 1930, el reloj de péndulo fue el cronometrador más preciso del mundo, lo que explica su uso generalizado. A lo largo de los siglos XVIII y XIX, los relojes de péndulo en hogares, fábricas, oficinas y estaciones de ferrocarril sirvieron como estándares de tiempo primarios para programar la vida diaria, los turnos de trabajo y el transporte público. Su mayor precisión permitió el ritmo de vida más rápido que era necesario para la Revolución Industrial . El reloj de péndulo doméstico fue reemplazado por relojes eléctricos síncronos y menos costosos en las décadas de 1930 y 1940. Los relojes de péndulo ahora se conservan principalmente por su valor decorativo y antiguo .

Los relojes de péndulo deben estar estacionarios para funcionar. Cualquier movimiento o aceleración afectará el movimiento del péndulo, causando inexactitudes, por lo que se necesitarán otros mecanismos para su uso en relojes portátiles.

Historia

El primer reloj de péndulo, inventado por Christiaan Huygens en 1656

El primer reloj de péndulo fue inventado en 1656 por el científico e inventor holandés Christiaan Huygens , y patentado al año siguiente. Huygens contrató la construcción de sus diseños de relojes al relojero Salomon Coster , quien realmente construyó el reloj. Huygens se inspiró en las investigaciones de los péndulos por Galileo Galilei que comenzaron alrededor de 1602. Galileo descubrió la propiedad clave que hace que los péndulos sean útiles para los cronometradores: el isocronismo , lo que significa que el período de oscilación de un péndulo es aproximadamente el mismo para oscilaciones de diferentes tamaños. Galileo tuvo la idea de un reloj de péndulo en 1637, que fue construido en parte por su hijo en 1649, pero ninguno vivió para terminarlo. La introducción del péndulo, el primer oscilador armónico utilizado en el cronometraje, aumentó enormemente la precisión de los relojes, de unos 15 minutos por día a 15 segundos por día, lo que llevó a su rápida propagación a medida que los relojes existentes de `` borde y foliot '' se modernizaron con péndulos.

Un reloj de linterna que se ha convertido para utilizar un péndulo. Para adaptarse a las amplias oscilaciones del péndulo provocadas por el escape del borde , se han añadido "alas" en los laterales.
Reloj de abuelo
Algunos de los relojes de péndulo más precisos: (izquierda) reloj regulador Riefler , que sirvió como estándar de tiempo en los EE. UU. Desde 1909 hasta 1929, (derecha) reloj Shortt-Synchronome , el reloj de péndulo más preciso jamás fabricado, que sirvió como estándar de tiempo durante la década de 1930.

Estos primeros relojes, debido a sus escapes de borde , tenían amplias oscilaciones de péndulo de 80-100 °. En su análisis de 1673 de péndulos, Horologium Oscillatorium , Huygens demostró que las oscilaciones amplias hacían que el péndulo fuera inexacto, lo que provocaba que su período , y por lo tanto la velocidad del reloj, variaran con variaciones inevitables en la fuerza impulsora proporcionada por el movimiento . La constatación de los relojeros de que sólo los péndulos con pequeñas oscilaciones de unos pocos grados son isócronos motivó la invención del escape de ancla por Robert Hooke alrededor de 1658, que redujo la oscilación del péndulo a 4-6 °. El ancla se convirtió en el escape estándar utilizado en los relojes de péndulo. Además de una mayor precisión, el estrecho oscilación del péndulo del ancla permitió que la caja del reloj acomodara péndulos más largos y lentos, que necesitaban menos energía y causaban menos desgaste en el movimiento. El péndulo de segundos (también llamado péndulo real), de 0,994 m (39,1 pulgadas) de largo, en el que el período de tiempo es de dos segundos, se volvió ampliamente utilizado en relojes de calidad. Los relojes largos y estrechos construidos alrededor de estos péndulos, hechos por primera vez por William Clement alrededor de 1680, se conocieron como relojes de abuelo . La mayor precisión resultante de estos desarrollos hizo que el minutero, anteriormente poco común, se agregara a las caras del reloj a partir de 1690.

La ola de innovación relojera de los siglos XVIII y XIX que siguió a la invención del péndulo trajo muchas mejoras a los relojes de péndulo. El escape inactivo inventado en 1675 por Richard Towneley y popularizado por George Graham alrededor de 1715 en sus relojes "reguladores" de precisión reemplazó gradualmente al escape de ancla y ahora se utiliza en la mayoría de los relojes de péndulo modernos. La observación de que los relojes de péndulo se ralentizaban en verano llevó a la comprensión de que la expansión y contracción térmica de la varilla del péndulo con los cambios de temperatura era una fuente de error. Esto se resolvió mediante la invención de péndulos con compensación de temperatura; el péndulo de mercurio de George Graham en 1721 y el péndulo de parrilla de John Harrison en 1726. Con estas mejoras, a mediados del siglo XVIII los relojes de péndulo de precisión alcanzaban una precisión de unos pocos segundos por semana.

Hasta el siglo XIX, los relojes eran hechos a mano por artesanos individuales y eran muy caros. La rica ornamentación de los relojes de péndulo de este período indica su valor como símbolos de estatus de los ricos. Los relojeros de cada país y región de Europa desarrollaron sus propios estilos distintivos. En el siglo XIX, la producción industrial de piezas de reloj hizo que los relojes de péndulo fueran asequibles para las familias de clase media.

Durante la Revolución Industrial , la vida cotidiana se organizaba en torno al reloj de péndulo de la casa. Se instalaron relojes de péndulo más precisos, llamados reguladores , en lugares de negocios y estaciones de ferrocarril y se usaron para programar el trabajo y configurar otros relojes. La necesidad de un cronometraje extremadamente preciso en la navegación celeste para determinar la longitud impulsó el desarrollo de los relojes de péndulo más precisos, llamados reguladores astronómicos . Estos instrumentos de precisión, instalados en observatorios navales y mantenidos con precisión en un segundo mediante la observación de los tránsitos de las estrellas en lo alto, se utilizaron para configurar cronómetros marinos en embarcaciones navales y comerciales. A partir del siglo XIX, los reguladores astronómicos en los observatorios navales sirvieron como estándares primarios para los servicios nacionales de distribución de tiempo que distribuían señales de tiempo a través de cables telegráficos . Desde 1909, la Oficina Nacional de Estándares de EE. UU. (Ahora NIST ) basó el estándar de tiempo de EE. UU. En los relojes de péndulo de Riefler , con una precisión de aproximadamente 10 milisegundos por día. En 1929 cambió al reloj de péndulo libre Shortt-Synchronome antes de introducir gradualmente los estándares de cuarzo en la década de 1930. Con un error de alrededor de un segundo por año, el Shortt fue el reloj de péndulo más preciso producido comercialmente.

Los relojes de péndulo siguieron siendo el estándar mundial para el cronometraje preciso durante 270 años, hasta la invención del reloj de cuarzo en 1927, y se utilizaron como estándares de tiempo durante la Segunda Guerra Mundial. El Servicio de Hora Francés usó relojes de péndulo como parte de su conjunto de relojes estándar hasta 1954. El reloj de péndulo doméstico comenzó a ser reemplazado como cronometrador doméstico durante las décadas de 1930 y 1940 por el reloj eléctrico síncrono , que mantenía la hora más precisa porque estaba sincronizado con la oscilación de la red eléctrica . El reloj de péndulo experimental más preciso jamás fabricado puede ser el Littlemore Clock construido por Edward T. Hall en la década de 1990 (donado en 2003 al National Watch and Clock Museum , Columbia, Pennsylvania, EE. UU.).

Mecanismo

Mecanismo modelo Ansonia Clock: c. 1904.

El mecanismo que hace funcionar un reloj mecánico se llama movimiento . Los movimientos de todos los relojes de péndulo mecánicos tienen estas cinco partes:

  • Una fuente de energía; ya sea un peso en una cuerda o cadena que hace girar una polea o rueda dentada, o un resorte principal
  • Un tren de engranajes ( tren de ruedas ) que aumenta la velocidad de la potencia para que el péndulo pueda usarla. Las relaciones de transmisión del tren de engranajes también dividen la velocidad de rotación para dar ruedas que giran una vez cada hora y una vez cada 12 horas, para hacer girar las manecillas del reloj.
  • Un escape que le da al péndulo impulsos sincronizados con precisión para mantenerlo en movimiento y que libera las ruedas del tren de engranajes para avanzar una cantidad fija en cada oscilación. Ésta es la fuente del sonido de "tic-tac" de un reloj de péndulo en funcionamiento.
  • El péndulo, un peso sobre una varilla, que es el elemento cronometrador del reloj.
  • Un indicador o cuadrante que registra la frecuencia con la que ha girado el escape y, por lo tanto, cuánto tiempo ha pasado, generalmente una esfera de reloj tradicional con manecillas giratorias.

Las funciones adicionales en los relojes además del cronometraje básico se denominan complicaciones . Los relojes de péndulo más elaborados pueden incluir estas complicaciones:

  • Tren en huelga : toca una campana o gong cada hora, con el número de huelgas igual al número de la hora. Algunos relojes también marcarán la media hora con un solo golpe. Los tipos más elaborados, técnicamente llamados relojes de campana , suenan en los cuartos de hora y pueden tocar melodías o campanillas de la catedral, generalmente cuartos de Westminster .
  • Dial de calendario: muestra el día, la fecha y, a veces, el mes.
  • Dial de fase lunar : muestra la fase de la luna, generalmente con una imagen pintada de la luna en un disco giratorio.
  • Ecuación de la esfera del tiempo : esta rara complicación se utilizó en los primeros días para configurar el reloj por el paso del sol en lo alto al mediodía. Muestra la diferencia entre la hora indicada por el reloj y la hora indicada por la posición del sol, que varía hasta ± 16 minutos durante el año.
  • Accesorio de repetidor : repite las campanas de la hora cuando se activa con la mano. Esta rara complicación se utilizó antes de la iluminación artificial para comprobar qué hora era por la noche.

En los relojes de péndulo electromecánicos , como los que se utilizan en los relojes maestros mecánicos , la fuente de alimentación se reemplaza por un solenoide alimentado eléctricamente que proporciona los impulsos al péndulo mediante fuerza magnética , y el escape se reemplaza por un interruptor o fotodetector que detecta cuándo el péndulo está en el posición correcta para recibir el impulso. Estos no deben confundirse con los relojes de péndulo de cuarzo más recientes en los que un módulo de reloj de cuarzo electrónico hace oscilar un péndulo. Estos no son verdaderos relojes de péndulo porque el reloj está controlado por un cristal de cuarzo en el módulo, y el péndulo oscilante es simplemente una simulación decorativa.

Péndulo de oscilación por gravedad

Reloj de pared de péndulo de estilo regulador de escuela

El péndulo oscila con un período que varía con la raíz cuadrada de su longitud efectiva. Para pequeñas oscilaciones, el período T , el tiempo de un ciclo completo (dos oscilaciones), es

donde L es la longitud del péndulo yg es la aceleración local de la gravedad . Todos los relojes de péndulo tienen un medio para ajustar la frecuencia. Esto suele ser una tuerca de ajuste bajo el péndulo sacudida que mueve la sacudida hacia arriba o hacia abajo en su vástago. Mover el movimiento hacia arriba reduce la longitud del péndulo, reduciendo el período del péndulo para que el reloj gane tiempo. En algunos relojes de péndulo, el ajuste fino se realiza con un ajuste auxiliar, que puede ser un pequeño peso que se mueve hacia arriba o hacia abajo por la varilla del péndulo. En algunos relojes maestros y relojes de torre, el ajuste se logra mediante una pequeña bandeja montada en la varilla donde se colocan o quitan pesos pequeños para cambiar la longitud efectiva, de modo que la frecuencia se pueda ajustar sin detener el reloj.

El período de un péndulo aumenta ligeramente con el ancho (amplitud) de su oscilación. La tasa de error aumenta con la amplitud, por lo que cuando se limita a pequeñas oscilaciones de unos pocos grados, el péndulo es casi isócrono ; su período es independiente de los cambios de amplitud. Por lo tanto, la oscilación del péndulo en los relojes se limita a 2 ° a 4 °.

Compensación de temperatura

Una fuente importante de error en los relojes de péndulo es la expansión térmica ; la varilla del péndulo cambia ligeramente de longitud con los cambios de temperatura, lo que provoca cambios en la frecuencia del reloj. Un aumento de temperatura hace que la varilla se expanda, alargando el péndulo, por lo que su período aumenta y el reloj pierde tiempo. Muchos relojes de calidad más antiguos usaban varillas de péndulo de madera para reducir este error, ya que la madera se expande menos que el metal.

El primer péndulo que corrigió este error fue el péndulo de mercurio inventado por George Graham en 1721, que se utilizó en relojes reguladores de precisión hasta el siglo XX. Estos tenían una bobina que consistía en un recipiente de mercurio metálico líquido . Un aumento de temperatura haría que la varilla del péndulo se expandiera, pero el mercurio en el recipiente también se expandiría y su nivel se elevaría levemente en el recipiente, moviendo el centro de gravedad del péndulo hacia el pivote. Al usar la cantidad correcta de mercurio, el centro de gravedad del péndulo permaneció a una altura constante y, por lo tanto, su período se mantuvo constante, a pesar de los cambios de temperatura.

El péndulo de temperatura compensada más utilizado fue el péndulo de rejilla inventado por John Harrison alrededor de 1726. Este consistía en una "rejilla" de varillas paralelas de metal de alta expansión térmica como zinc o latón y metal de baja expansión térmica como acero . Si se combina correctamente, el cambio de longitud de las varillas de alta expansión compensó el cambio de longitud de las varillas de baja expansión, logrando nuevamente un período constante del péndulo con cambios de temperatura. Este tipo de péndulo se asoció tanto con la calidad que a menudo se ven rejillas decorativas "falsas" en los relojes de péndulo, que no tienen una función de compensación de temperatura real.

A partir de 1900, algunos de los relojes científicos de mayor precisión tenían péndulos hechos de materiales de expansión ultrabaja, como la aleación de acero al níquel Invar o la sílice fundida , que requerían muy poca compensación por los efectos de la temperatura.

Arrastre atmosférico

La viscosidad del aire a través del cual oscila el péndulo variará con la presión atmosférica, la humedad y la temperatura. Este arrastre también requiere energía que de otro modo podría aplicarse para extender el tiempo entre bobinados. Tradicionalmente, el péndulo se fabrica con una forma de lente estrecha y aerodinámica para reducir la resistencia del aire, que es donde va la mayor parte de la potencia de conducción en un reloj de calidad. A finales del siglo XIX y principios del siglo XX, los péndulos para relojes reguladores de precisión en observatorios astronómicos a menudo se operaban en una cámara que había sido bombeada a baja presión para reducir la resistencia y hacer que el funcionamiento del péndulo fuera aún más preciso al evitar cambios en la presión atmosférica. Se podría realizar un ajuste fino de la frecuencia del reloj mediante ligeros cambios en la presión interna en la carcasa sellada.

Nivelación y "batir"

Para mantener la hora con precisión, los relojes de péndulo deben estar absolutamente nivelados. Si no es así, el péndulo se balancea más hacia un lado que hacia el otro, alterando el funcionamiento simétrico del escape. Esta condición a menudo se puede escuchar de forma audible con el tic-tac del reloj. Los tics o "latidos" deben estar en intervalos exactamente igualmente espaciados para dar un sonido de, "tick ... tock ... tick ... tock"; si no lo están, y tienen el sonido "tic-tac ... tic-tac ...", el reloj está fuera de ritmo y debe nivelarse. Este problema puede hacer que el reloj deje de funcionar fácilmente y es una de las razones más comunes para las llamadas de servicio. Un nivel de burbuja o una máquina de cronometraje de reloj pueden lograr una mayor precisión que confiar en el sonido del ritmo; Los reguladores de precisión a menudo tienen un nivel de burbuja incorporado para la tarea. Los relojes independientes más antiguos suelen tener patas con tornillos ajustables para nivelarlos, mientras que los más recientes tienen un ajuste de nivelación en el movimiento. Algunos relojes de péndulo modernos tienen dispositivos de "ritmo automático" o "ajuste de ritmo autorregulado", y no necesitan este ajuste.

Gravedad local

Reloj de péndulo Ansonia. C.1904, SANTIAGO, reloj colgante de pan de jengibre de roble, tiempo de ocho días y huelga.

Dado que la velocidad del péndulo aumentará con un aumento de la gravedad, y la gravedad local varía con la latitud y la elevación en la Tierra, los relojes de péndulo de precisión deben reajustarse para mantener el tiempo después de un movimiento. Por ejemplo, un reloj de péndulo movido desde el nivel del mar a 4.000 pies (1.200 m) perderá 16 segundos por día. Con los relojes de péndulo más precisos, incluso mover el reloj a la parte superior de un edificio alto haría que perdiera un tiempo mensurable debido a la menor gravedad.

Péndulo de torsión

También llamado péndulo de resorte de torsión, se trata de una masa en forma de rueda (la mayoría de las veces cuatro esferas en radios transversales) suspendida de una tira vertical (cinta) de acero para resortes, que se utiliza como mecanismo de regulación en los relojes de péndulo de torsión . La rotación de la masa enrolla y desenrolla el resorte de suspensión, con el impulso de energía aplicado a la parte superior del resorte. Con un período de 12 a 15 segundos, en comparación con el período de 0,5 a 2 segundos del péndulo de oscilación por gravedad, es posible fabricar relojes que necesitan ser dados cuerda solo cada 30 días, o incluso solo una vez al año o más. Este tipo es independiente de la fuerza de gravedad local, pero se ve más afectado por los cambios de temperatura que un péndulo de oscilación por gravedad no compensado.

Un reloj que solo requiere cuerda anual a veces se llama " reloj de 400 días" o " reloj de aniversario ", este último a veces se entrega como un regalo de conmemoración de la boda. Las firmas alemanas Schatz y Kieninger & Obergfell (conocidas como "Kundo", de "K und O"), fueron los principales fabricantes de este tipo de reloj. El reloj de " movimiento perpetuo ", llamado Atmos porque su mecanismo se mantenía enrollado por los cambios en la temperatura atmosférica, también hace uso de un péndulo de torsión. En este caso, el ciclo de oscilación dura 60 segundos completos.

Escape

Animación de un escape de ancla , uno de los escapes más utilizados en los relojes de péndulo

El escape es un enlace mecánico que convierte la fuerza del tren de ruedas del reloj en impulsos que mantienen el péndulo oscilando hacia adelante y hacia atrás. Es la parte que hace el sonido de "tic-tac" en un reloj de péndulo en funcionamiento. La mayoría de los escapes consisten en una rueda con dientes puntiagudos llamada rueda de escape que es girada por el tren de ruedas del reloj, y superficies contra las que empujan los dientes, llamadas paletas . Durante la mayor parte de la oscilación del péndulo, se impide que la rueda gire porque un diente está apoyado contra una de las paletas; esto se denomina estado "bloqueado". Cada oscilación del péndulo, una paleta libera un diente de la rueda de escape. La rueda gira hacia adelante una cantidad fija hasta que un diente se engancha en la otra paleta. Estos lanzamientos permiten que el tren de ruedas del reloj avance una cantidad fija con cada oscilación, moviendo las manecillas hacia adelante a una velocidad constante, controlada por el péndulo.

Aunque el escape es necesario, su fuerza perturba el movimiento natural del péndulo y, en los relojes de péndulo de precisión, este era a menudo el factor limitante de la precisión del reloj. En los relojes de péndulo se han utilizado diferentes escapes a lo largo de los años para intentar solucionar este problema. En los siglos XVIII y XIX, el diseño de escapes estuvo a la vanguardia de los avances en el cronometraje. El escape de ancla (ver animación) fue el escape estándar utilizado hasta el siglo XIX, cuando una versión mejorada, el escape inactivo, se hizo cargo de los relojes de precisión. Actualmente se utiliza en casi todos los relojes de péndulo. El remontoire , un pequeño mecanismo de resorte rebobinado a intervalos que sirve para aislar el escape de la fuerza variable del tren de ruedas, se utilizó en algunos relojes de precisión. En los relojes de torre, el tren de ruedas debe hacer girar las manecillas grandes de la esfera del reloj en el exterior del edificio, y el peso de estas manecillas, que varía con la nieve y la acumulación de hielo, ejerce una carga variable sobre el tren de ruedas. Los escapes de gravedad se utilizaron en relojes de torre.

A finales del siglo XIX se utilizaron escapes especializados en los relojes más precisos, llamados reguladores astronómicos , que se empleaban en observatorios navales y para la investigación científica. El escape de Riefler , utilizado en los relojes reguladores Clemens-Riefler, tenía una precisión de 10 milisegundos por día. Se desarrollaron los escapes electromagnéticos, que usaban un interruptor o fototubo para encender un electroimán de solenoide para dar un impulso al péndulo sin requerir un enlace mecánico. El reloj de péndulo más preciso fue el reloj Shortt-Synchronome , un complicado reloj electromecánico con dos péndulos desarrollado en 1923 por WH Shortt y Frank Hope-Jones , que tenía una precisión superior a un segundo por año. Un péndulo esclavo en un reloj separado estaba conectado por un circuito eléctrico y electroimanes a un péndulo maestro en un tanque de vacío. El péndulo esclavo realizó las funciones de cronometraje, dejando que el péndulo maestro oscile prácticamente sin ser molestado por influencias externas. En la década de 1920, el Shortt-Synchronome se convirtió brevemente en el estándar más alto para el cronometraje en los observatorios antes de que los relojes de cuarzo reemplazaran a los relojes de péndulo como estándares de tiempo de precisión.

Indicación de tiempo

El sistema de indicación es casi siempre el dial tradicional con manecillas de horas y minutos en movimiento. Muchos relojes tienen una pequeña tercera manecilla que indica los segundos en una esfera subsidiaria. Los relojes de péndulo generalmente están diseñados para configurarse abriendo la cubierta de vidrio y empujando manualmente la manecilla de los minutos alrededor del dial hasta la hora correcta. El minutero está montado en un manguito de fricción deslizante que permite girarlo sobre su eje. La manecilla de las horas no se maneja desde el tren de ruedas, sino desde el eje del minutero a través de un pequeño conjunto de engranajes, por lo que al girar el minutero manualmente también se ajusta la manecilla de las horas.

Estilos

Reloj regulador alemán de un año. Hacia 1850

Los relojes de péndulo eran más que simples cronometradores utilitarios; eran símbolos de estatus que expresaban la riqueza y la cultura de sus dueños. Evolucionaron en varios estilos tradicionales, específicos para diferentes países y épocas, así como para su uso previsto. Los estilos de caja reflejan de alguna manera los estilos de muebles populares durante el período. Los expertos a menudo pueden identificar cuándo se fabricó un reloj antiguo en unas pocas décadas por diferencias sutiles en sus cajas y caras. Estos son algunos de los diferentes estilos de relojes de péndulo:

Ver también

Referencias

enlaces externos