Un reloj de ecuaciones es un reloj mecánico que incluye un mecanismo que simula la ecuación del tiempo , de modo que el usuario puede leer o calcular la hora solar , como lo indicaría un reloj de sol . Los primeros relojes precisos, controlados por péndulos , fueron patentados por Christiaan Huyghens en 1657. Durante las décadas siguientes, la gente todavía estaba acostumbrada a utilizar relojes de sol y quería poder utilizar relojes para encontrar la hora solar. Los relojes de ecuaciones se inventaron para satisfacer esta necesidad.
Los primeros relojes de ecuaciones tienen un puntero que se mueve para mostrar la ecuación del tiempo en un dial o escala. El reloj en sí funciona a velocidad constante. El usuario calcula la hora solar añadiendo la ecuación del tiempo a la lectura del reloj. Los relojes de ecuaciones posteriores, fabricados en el siglo XVIII, realizan la compensación automáticamente, por lo que el reloj muestra directamente la hora solar. Algunos de ellos también muestran la hora media , a la que a menudo se denomina "hora del reloj".
Todos los relojes de ecuaciones incluyen un mecanismo que simula la ecuación del tiempo, de modo que una palanca se mueve, o un eje gira, de manera que se representan las variaciones de la ecuación del tiempo a medida que avanza el año. Existen dos tipos de mecanismos que se utilizan con frecuencia:
En este tipo de mecanismo, el reloj acciona un eje para que gire una vez al año a una velocidad constante. El eje lleva una leva , que tiene aproximadamente la forma de un riñón, de modo que su radio es esencialmente un gráfico de la variación anual de la ecuación del tiempo. Un seguidor y una palanca descansan contra la leva, de modo que, a medida que la leva gira, la palanca se mueve de una manera que representa la ecuación cambiante del tiempo. Esta palanca acciona otros componentes del reloj.
En una aproximación aproximada, la ecuación del tiempo se puede representar como la suma de dos ondas sinusoidales, una con un período de un año y la otra con un período de seis meses, con una fase relativa que varía muy lentamente (apenas perceptible en el transcurso de un siglo). Para más detalles, véase la explicación en Ecuación del tiempo .
El mecanismo de doble eje tiene dos ejes que giran a velocidades constantes: uno gira una vez al año y el otro dos veces al año. Las manivelas o pasadores unidos a los dos ejes mueven los dos extremos de una palanca de combinación (a veces denominada whippletree) de forma sinusoidal; si las dimensiones se eligen correctamente, el punto medio de la varilla se mueve de una manera que simula la ecuación del tiempo.
Durante la época en que se fabricaron y utilizaron los relojes de ecuaciones, todos se hacían a mano. No hay dos exactamente iguales. Muchos relojes de ecuaciones también tienen otras características, como la visualización de la fase de la luna o las horas de salida y puesta del sol. Dejando de lado estos añadidos, hay cuatro formas diferentes en las que funcionan los relojes. Los párrafos siguientes no pretenden ser descripciones detalladas de relojes individuales, sino ilustraciones de los principios generales de estos cuatro tipos diferentes de relojes de ecuaciones. El funcionamiento básico de los relojes particulares se parece a estos, pero los detalles varían. Se puede acceder a imágenes y descripciones de varios relojes de ecuaciones, que todavía existen en museos, a través de los enlaces externos que se enumeran a continuación.
Muchos relojes de ecuaciones, especialmente los más antiguos, tienen un mecanismo de reloj normal, que muestra la hora media, y también una pantalla que muestra la ecuación del tiempo. Un mecanismo de simulación de la ecuación del tiempo hace girar el puntero en esta pantalla. El usuario tiene que añadir la ecuación del tiempo a la hora del reloj para calcular la hora solar.
La mayoría de los relojes de ecuaciones posteriores, fabricados en el siglo XVIII, muestran directamente la hora solar. Muchos de ellos también muestran la hora media y la ecuación del tiempo, pero el usuario no tiene que realizar ninguna suma. Existen tres tipos:
Se han construido relojes en los que las marcas de los minutos están en una placa circular que puede girarse alrededor del mismo eje que las manecillas. El eje pasa por un orificio en el centro de la placa y las manecillas están delante de la placa. La parte de los minutos de la hora que muestra el reloj está dada por la posición de la manecilla de los minutos en relación con las marcas de la placa. La manecilla es impulsada en el sentido de las agujas del reloj a una velocidad constante por el mecanismo del reloj y la placa gira mediante el mecanismo que simula la ecuación del tiempo, girando en sentido contrario a las agujas del reloj cuando la ecuación del tiempo aumenta y en el sentido de las agujas del reloj cuando disminuye. Si las relaciones de transmisión son correctas, el reloj muestra la hora solar. La hora media también se puede mostrar mediante un conjunto separado y estacionario de marcas de minutos en la esfera, fuera del borde de la placa. La visualización de la hora no está ajustada a la ecuación del tiempo, por lo que la lectura de la hora es ligeramente aproximada. Esto no tiene ningún efecto práctico, ya que siempre es fácil ver qué hora es la correcta. Estos relojes son mecánicamente más simples que los otros tipos descritos a continuación, pero tienen desventajas: la hora solar es difícil de leer sin mirar atentamente las marcas de los minutos y no se puede hacer que el reloj marque la hora en hora solar.
Estos relojes incluyen un dispositivo en la parte superior del péndulo que cambia ligeramente su longitud efectiva, por lo que la velocidad del reloj varía. Este dispositivo es impulsado por un mecanismo de simulación que se mueve para simular la tasa de cambio de la ecuación del tiempo, en lugar de su valor real. Por ejemplo, durante los meses de diciembre y enero, cuando la ecuación del tiempo disminuye, por lo que un reloj de sol funciona más lento de lo habitual, el mecanismo hace que el péndulo sea efectivamente más largo de lo habitual, por lo que el reloj funciona más lento y se mantiene al ritmo del tiempo del reloj de sol. En otras épocas del año, el péndulo se acorta, por lo que el reloj funciona más rápido, nuevamente al ritmo del tiempo del reloj de sol. Este tipo de mecanismo muestra solo la hora solar (reloj de sol). Los relojes que lo utilizan no pueden hacerse fácilmente para mostrar la hora media a menos que se incluya un mecanismo de reloj separado, con su propio péndulo. Hay algunos relojes de ecuación en los que se hace esto, pero requiere que la caja del reloj sea muy resistente, para evitar el acoplamiento entre los péndulos. Otra desventaja de los relojes de péndulo variable es que la ecuación del tiempo no se puede mostrar fácilmente.
En algunos relojes de ecuaciones posteriores, un péndulo oscila a una frecuencia constante , controlando un mecanismo de reloj normal. A menudo, este mecanismo acciona una pantalla que muestra la hora media (del reloj). Sin embargo, hay componentes adicionales: un mecanismo de simulación de la ecuación del tiempo como se describió anteriormente y un dispositivo que agrega automáticamente la ecuación del tiempo a la hora del reloj y acciona una pantalla que muestra la hora solar. La adición se realiza mediante un método analógico , utilizando un engranaje diferencial . [1] Este tipo de mecanismo de reloj de ecuaciones es el más versátil. Tanto la hora solar como la media se pueden mostrar de forma fácil y clara, al igual que la ecuación del tiempo. También es fácil organizar las horas en ambos tipos de hora. Después de su invención en 1720, [2] este mecanismo se convirtió en el estándar y se utilizó durante gran parte del siglo XVIII, hasta que cesó la demanda de relojes de ecuaciones.
Los cambios lentos en los movimientos de la Tierra causan cambios graduales en la variación anual de la ecuación del tiempo. [3] El gráfico que aparece en la parte superior de este artículo muestra la variación anual tal como es en la actualidad, alrededor del año 2000. Muchos siglos en el pasado o en el futuro, la forma del gráfico sería muy diferente. La mayoría de los relojes de ecuaciones se construyeron hace unos tres siglos, desde entonces el cambio en la variación anual de la ecuación del tiempo ha sido pequeño, pero apreciable. Los relojes incorporan la variación anual tal como era cuando se fabricaron. No compensan los cambios lentos, que entonces eran desconocidos, por lo que ahora son ligeramente menos precisos que cuando eran nuevos. El mayor error por esta causa es actualmente de aproximadamente un minuto. Siglos en el futuro, si estos relojes sobreviven, los errores serán mayores.
Los relojes de ecuaciones, como tales, ya no se utilizan ampliamente. Sin embargo, los componentes funcionalmente iguales a los de los relojes de ecuaciones todavía se utilizan, por ejemplo, en los seguidores solares , que se mueven para seguir los movimientos del Sol en el cielo. Muchos de ellos no detectan la posición del Sol. En cambio, tienen un mecanismo que gira alrededor de un eje polar a una velocidad constante de 15 grados por hora, al ritmo de la velocidad media de rotación de la Tierra en relación con el Sol. A veces, se genera una representación digital de esta rotación, en lugar de la rotación física de un componente. Luego, la ecuación del tiempo se añade a esta rotación constante, lo que produce una rotación del seguidor que sigue el ritmo del movimiento aparente del Sol. Generalmente, estas máquinas utilizan tecnología moderna, que implica electrónica y computadoras, en lugar de los dispositivos mecánicos que se usaban en los relojes de ecuaciones históricos, pero la función es la misma.
Nota: En algunos de estos materiales históricos, el tiempo del reloj se denomina "tiempo igual" y el tiempo del reloj de sol se denomina "tiempo aparente" o "tiempo solar verdadero".