Un escape es un mecanismo mecánico que se encuentra en los relojes mecánicos y que da impulsos al elemento de cronometraje y libera periódicamente el tren de engranajes para avanzar, haciendo avanzar las manecillas del reloj. La acción del impulso transfiere energía al elemento de cronometraje del reloj (normalmente un péndulo o volante ) para reemplazar la energía perdida por fricción durante su ciclo y mantener el cronómetro oscilando. El escape es impulsado por la fuerza de un resorte en espiral o un peso suspendido, que se transmite a través del tren de engranajes del reloj. Cada oscilación del péndulo o volante libera un diente de la rueda de escape del escape , lo que permite que el tren de engranajes del reloj avance o "escape" una cantidad fija. Este avance periódico regular hace avanzar las manecillas del reloj a un ritmo constante. Al mismo tiempo, el diente da un empujón al elemento de cronometraje, antes de que otro diente se enganche en la paleta del escape, devolviendo el escape a su estado "bloqueado". La parada repentina del diente del escape es lo que genera el característico sonido de "tictac" que se escucha en los relojes mecánicos en funcionamiento.
El primer escape mecánico, el escape de verge , se inventó en la Europa medieval durante el siglo XIII y fue la innovación crucial que condujo al desarrollo del reloj mecánico. El diseño del escape tiene un gran efecto en la precisión de un reloj, y las mejoras en el diseño del escape impulsaron mejoras en la medición del tiempo durante la era del cronometraje mecánico desde el siglo XIII hasta el siglo XIX.
Los escapes también se utilizan en otros mecanismos además de los relojes. Las máquinas de escribir manuales utilizaban escapes para hacer avanzar el carro a medida que se escribía cada letra (o espacio). Históricamente, se utilizó un escape accionado por líquido para el diseño de lavabos en la antigua Grecia y el mundo helenístico , particularmente en el Egipto ptolemaico , mientras que los escapes accionados por líquido se aplicaron a los mecanismos de relojería a partir de la dinastía Tang en China y culminaron durante la dinastía Song .
La importancia del escape en la historia de la tecnología es que fue la invención clave que hizo posible el reloj totalmente mecánico . [1] [2] La invención del primer escape totalmente mecánico, el escape de verge , en la Europa del siglo XIII inició un cambio en los métodos de cronometraje de procesos continuos, como el flujo de agua en los relojes de agua , a procesos oscilatorios repetitivos , como el balanceo de los péndulos , que tenían el potencial de ser más precisos. [2] Los cronometradores oscilantes son los dispositivos de control en todos los relojes modernos.
El primer escape accionado por líquido fue descrito por el ingeniero griego Filón de Bizancio (siglo III a. C.) en su tratado técnico Neumática (capítulo 31) como parte de un lavabo . [3] Una cuchara con contrapeso, alimentada por un tanque de agua, se vuelca en un recipiente cuando está lleno, liberando una pieza esférica de piedra pómez en el proceso. Una vez que la cuchara se ha vaciado, el contrapeso la vuelve a levantar, cerrando la puerta sobre la piedra pómez mediante la cuerda tensora. Sorprendentemente, el comentario de Filón de que "su construcción es similar a la de los relojes" indica que tales mecanismos de escape ya estaban integrados en los antiguos relojes de agua. [3]
En China , el monje budista de la dinastía Tang, Yi Xing, junto con el funcionario del gobierno Liang Lingzan, fabricaron el escape en 723 (o 725) con el funcionamiento de una esfera armilar impulsada por agua y un mecanismo de reloj , que fue el primer escape de relojería del mundo. [4] [5] Los horólogos de la dinastía Song (960-1279) Zhang Sixun (fl. finales del siglo X) y Su Song (1020-1101) aplicaron debidamente dispositivos de escape para sus torres de relojes astronómicos , [6] antes de que la tecnología se estancara y retrocediera. Según el historiador Derek J. de Solla Price , el escape chino se extendió al oeste y fue la fuente de la tecnología de escape occidental. [7] Según Ahmad Y. Hassan , un escape de mercurio en una obra española para Alfonso X en 1277 se remonta a fuentes árabes anteriores . [8] [ ¿ fuente poco fiable? ] El conocimiento de estos escapes de mercurio puede haberse difundido por Europa con las traducciones de textos árabes y españoles. [8] [9]
Sin embargo, ninguno de estos relojes eran verdaderos mecanismos de escape mecánicos, ya que dependían del flujo de líquido a través de un orificio para medir el tiempo. Por ejemplo, en el reloj de Su Song, el agua fluía hacia un recipiente sobre un pivote. La función del mecanismo de escape era volcar el recipiente cada vez que se llenaba, haciendo avanzar así las ruedas del reloj cada vez que se medía una cantidad igual de agua. El tiempo entre liberaciones dependía de la velocidad del flujo, como ocurre con todos los relojes de líquido. La velocidad del flujo de un líquido a través de un orificio varía con los cambios de temperatura y viscosidad y disminuye con la presión a medida que baja el nivel de líquido en el recipiente de origen. El desarrollo de los relojes mecánicos dependió de la invención de un mecanismo de escape que permitiera controlar el movimiento de un reloj mediante una masa oscilante.
El primer escape mecánico, el escape de verge , se utilizó en un aparato de toque de campana llamado alarum durante varios siglos antes de que se adaptara a los relojes. [10] En la Europa del siglo XIV apareció como cronometrador en los primeros relojes mecánicos, que eran grandes relojes de torre [11] (aunque algunas fuentes afirman que el arquitecto francés Villard de Honnecourt inventó el primer escape alrededor de 1237 debido a un dibujo en sus cuadernos de un enlace de cuerda para girar una estatua de un ángel para seguir al sol, [12] el consenso es que esto no era un escape. [13] [14] [15] [ 16] [17] [18] ) Su origen y primer uso se desconoce porque es difícil distinguir cuáles de estos primeros relojes de torre eran mecánicos y cuáles eran relojes de agua . [19] Sin embargo, la evidencia indirecta, como un aumento repentino en el costo y la construcción de los relojes, apunta a fines del siglo XIII como la fecha más probable para el desarrollo del escape del reloj moderno. [11] El astrónomo Robertus Anglicus escribió en 1271 que los relojeros estaban intentando inventar un escape, pero que aún no habían tenido éxito. [20] Por otro lado, la mayoría de las fuentes coinciden en que los relojes con escape mecánico ya existían en 1300. [21] [22] [11]
En realidad, la primera descripción de un escape, en el manuscrito Tractatus Horologii Astronomici de 1327 de Richard de Wallingford sobre el reloj que construyó en la Abadía de St. Albans , no era un verge, sino una variación llamada escape de estroboscopio . [23] [24] [11] Consistía en un par de ruedas de escape en el mismo eje, con dientes radiales alternados. La varilla del verge estaba suspendida entre ellas, con un travesaño corto que giraba primero en una dirección y luego en la otra a medida que los dientes escalonados pasaban. Aunque no se conoce ningún otro ejemplo, es posible que este fuera el primer diseño de escape de reloj. [23]
Sin embargo, el mecanismo de escape de verge era el mecanismo estándar utilizado en todos los demás relojes antiguos y siguió siendo el único mecanismo de escape durante 400 años. Su fricción y retroceso limitaban su rendimiento, pero la precisión de estos relojes de verge y foliot estaba más limitada por sus primeros volantes de tipo foliot , que al carecer de un resorte de volante no tenían un "latido" natural, por lo que no había muchos incentivos para mejorar el escape.
El gran salto en precisión que supuso la invención del péndulo y el espiral en torno a 1657, que convirtió los elementos de medición del tiempo tanto en relojes como en relojes de pared en osciladores armónicos , centró la atención en los errores del escape, y los escapes más precisos pronto sustituyeron a los vertiginosos. Los dos siglos siguientes, la «edad de oro» de la horología mecánica , vieron la invención de quizás 300 diseños de escape, aunque solo unos 10 resistieron la prueba del tiempo y se utilizaron ampliamente en relojes de pared y de pared. [25] Estos se describen individualmente a continuación.
La invención del oscilador de cristal y del reloj de cuarzo en la década de 1920, que se convirtió en el reloj más preciso en la década de 1930, trasladó la investigación tecnológica en cronometraje a métodos electrónicos y el diseño de escape dejó de desempeñar un papel en el avance de la precisión del cronometraje.
La fiabilidad de un escape depende de la calidad de su fabricación y del nivel de mantenimiento que se le dé. Un escape mal construido o mal mantenido causará problemas. El escape debe convertir con precisión las oscilaciones del péndulo o del volante en rotación del reloj o del tren de engranajes, y debe entregar suficiente energía al péndulo o al volante para mantener su oscilación.
En muchos escapes, el desbloqueo del escape implica un movimiento deslizante; por ejemplo, en la animación que se muestra arriba, las paletas del áncora se deslizan contra los dientes de la rueda de escape mientras el péndulo oscila. Las paletas suelen estar hechas de materiales muy duros, como piedra pulida (por ejemplo, rubí artificial), pero aun así, normalmente requieren lubricación. Dado que el aceite lubricante se degrada con el tiempo debido a la evaporación, el polvo, la oxidación, etc., es necesario volver a lubricarlo periódicamente. Si no se hace esto, el reloj puede funcionar de manera poco fiable o detenerse por completo, y los componentes del escape pueden sufrir un desgaste rápido. La mayor fiabilidad de los relojes modernos se debe principalmente a los aceites de mayor calidad que se utilizan para la lubricación. La vida útil de los lubricantes puede ser superior a cinco años en un reloj de alta calidad.
Algunos escapes evitan la fricción deslizante; algunos ejemplos incluyen el escape de saltamontes de John Harrison en el siglo XVIII. Esto puede evitar la necesidad de lubricación en el escape (aunque no elimina el requisito de lubricación de otras partes del tren de engranajes).
La precisión de un reloj mecánico depende de la precisión del dispositivo que mide el tiempo. Si se trata de un péndulo, el período de oscilación del péndulo determina la precisión. Si la varilla del péndulo está hecha de metal, se expandirá y contraerá con el calor, alargando o acortando el péndulo; esto cambia el tiempo que tarda en oscilar. En los costosos relojes basados en péndulo se utilizan aleaciones especiales para minimizar esta distorsión. Los grados de arco en los que puede oscilar un péndulo varían; los relojes basados en péndulo de alta precisión tienen arcos muy pequeños para minimizar el error circular .
Los relojes de péndulo pueden alcanzar una precisión extraordinaria. Incluso en el siglo XX, los relojes de péndulo eran relojes de referencia en los laboratorios.
Los escapes también juegan un papel importante en la precisión. El punto preciso en el recorrido del péndulo en el que se aplica el impulso afectará la precisión con la que oscilará el péndulo. Lo ideal es que el impulso se distribuya de manera uniforme a ambos lados del punto más bajo de la oscilación del péndulo. Esto se llama "estar en ritmo". Esto se debe a que empujar un péndulo cuando se está moviendo hacia la mitad de la oscilación lo hace ganar, mientras que empujarlo cuando se está alejando de la mitad de la oscilación lo hace perder. Si el impulso se distribuye de manera uniforme, le da energía al péndulo sin cambiar el tiempo de su oscilación. [26]
El período del péndulo depende ligeramente del tamaño de la oscilación. Si la amplitud cambia de 4° a 3°, el período del péndulo disminuirá aproximadamente un 0,013 por ciento, lo que se traduce en una ganancia de aproximadamente 12 segundos por día. Esto se debe a que la fuerza de recuperación sobre el péndulo es circular y no lineal; por lo tanto, el período del péndulo solo es aproximadamente lineal en el régimen de aproximación de ángulo pequeño . Para que sea independiente del tiempo, la trayectoria debe ser cicloidal . Para minimizar el efecto con la amplitud, las oscilaciones del péndulo se mantienen lo más pequeñas posible.
Por regla general, cualquiera que sea el método de impulso, la acción del escape debe tener el menor efecto posible sobre el oscilador, ya sea un péndulo o el volante de un reloj. Este efecto, que todos los escapes tienen en mayor o menor medida, se conoce como error de escape .
Cualquier escape con fricción deslizante necesitará lubricación, pero a medida que esta se deteriora, la fricción aumentará y, tal vez, no se transferirá suficiente energía al dispositivo de cronometraje. Si el dispositivo de cronometraje es un péndulo, las mayores fuerzas de fricción disminuirán el factor Q , aumentando la banda de resonancia y disminuyendo su precisión. Para los relojes accionados por resorte, la fuerza de impulso aplicada por el resorte cambia a medida que se desenrolla el resorte, siguiendo la ley de Hooke . Para los relojes accionados por gravedad, la fuerza de impulso también aumenta a medida que cae el peso impulsor y más cadena suspende el peso del tren de engranajes; en la práctica, sin embargo, este efecto solo se ve en grandes relojes públicos y se puede evitar con una cadena de bucle cerrado.
Los relojes y los relojes más pequeños no utilizan péndulos como dispositivo de cronometraje. En su lugar, utilizan un resorte de equilibrio : un resorte fino conectado a un volante de metal que oscila (gira hacia adelante y hacia atrás). La mayoría de los relojes mecánicos modernos tienen una frecuencia de trabajo de 3-4 Hz (oscilaciones por segundo) o 6-8 pulsaciones por segundo (21.600-28.800 pulsaciones por hora; bph). En algunos relojes se utilizan velocidades más rápidas o más lentas (33.600 bph o 19.800 bph). La frecuencia de trabajo depende de la rigidez del resorte de equilibrio ( constante de resorte ); para mantener el tiempo, la rigidez no debe variar con la temperatura. En consecuencia, los resortes de equilibrio utilizan aleaciones sofisticadas; en este área, la relojería aún está avanzando. Al igual que con el péndulo, el escape debe proporcionar un pequeño golpe en cada ciclo para mantener el volante oscilando. Además, el mismo problema de lubricación ocurre con el tiempo; El reloj perderá precisión (normalmente se acelerará) cuando la lubricación del escape comience a fallar. [ cita requerida ]
Los relojes de bolsillo fueron los predecesores de los relojes de pulsera modernos. Los relojes de bolsillo, al estar en el bolsillo, solían estar en posición vertical. La gravedad provoca cierta pérdida de precisión, ya que magnifica con el tiempo cualquier falta de simetría en el peso del volante. El tourbillon se inventó para minimizar esto: el volante y el resorte se colocan en una jaula que gira (normalmente, pero no necesariamente, una vez por minuto), suavizando las distorsiones gravitacionales. Este ingenioso y sofisticado mecanismo de relojería es una complicación muy apreciada en los relojes de pulsera, aunque el movimiento natural del usuario tiende a suavizar las influencias gravitacionales de todos modos.
El reloj mecánico más preciso producido comercialmente fue el reloj electromecánico de péndulo libre Shortt-Synchronome inventado por WH Shortt en 1921, que tenía una incertidumbre de aproximadamente 1 segundo por año. [27] [28] El reloj mecánico más preciso hasta la fecha es probablemente el reloj electromecánico Littlemore, construido por el famoso arqueólogo ET Hall en la década de 1990. En el artículo de Hall, [29] informa una incertidumbre de 3 partes en 10 9 medidas durante 100 días (una incertidumbre de aproximadamente 0,02 segundos durante ese período). Ambos relojes son relojes electromecánicos : utilizan un péndulo como elemento de cronometraje, pero energía eléctrica en lugar de un tren de engranajes mecánicos para suministrar energía al péndulo.
Desde 1658, cuando la introducción del péndulo y el espiral hicieron posible la fabricación de relojes de precisión, se calcula que se han ideado más de trescientos escapes mecánicos diferentes, pero solo unos 10 han tenido un uso generalizado. [30] Estos se describen a continuación. En el siglo XX, los métodos de cronometraje eléctricos reemplazaron a los relojes mecánicos, por lo que el diseño de escapes se convirtió en una curiosidad poco conocida.
El primer escape mecánico, de alrededor de 1275 [ cita requerida ] , fue el escape de verge , también conocido como escape de rueda de corona. Se utilizó en los primeros relojes mecánicos y originalmente estaba controlado por un foliot , una barra horizontal con pesas en cada extremo. El escape consiste en una rueda de escape con forma similar a una corona, con dientes puntiagudos que sobresalen axialmente del costado, orientados horizontalmente. Delante de la rueda de corona hay un eje vertical, unido al foliot en la parte superior, que lleva dos placas de metal (paletas) que sobresalen como banderas de un asta, orientadas aproximadamente noventa grados entre sí, de modo que solo una engrana los dientes de la rueda de corona a la vez. A medida que la rueda gira, un diente empuja contra la paleta superior, girando el eje y el foliot unido. A medida que el diente empuja más allá de la paleta superior, la paleta inferior oscila en la trayectoria de los dientes del otro lado de la rueda. Un diente se engancha en la paleta inferior, girando el eje en la dirección opuesta y el ciclo se repite. Una desventaja del escape era que cada vez que un diente tocaba una paleta, el impulso del foliot empujaba la corona hacia atrás una corta distancia antes de que la fuerza de la rueda invirtiera el movimiento. Esto se denomina " retroceso " y era una fuente de desgaste e inexactitud.
El verge fue el único escape utilizado en relojes durante 350 años. En los relojes de muelle, se necesitaba un caracol para equilibrar la fuerza del muelle real . Se utilizó en los primeros relojes de péndulo durante unos 50 años después de que se inventara el reloj de péndulo en 1656. En un reloj de péndulo, la corona y el eje se orientaban de forma horizontal y el péndulo se colgaba del eje. Sin embargo, el verge es el más impreciso de los escapes comunes y, después de que se introdujera el péndulo en la década de 1650, el verge comenzó a ser reemplazado por otros escapes, y se abandonó solo a fines del siglo XIX. En ese momento, la moda de los relojes delgados había requerido que la rueda de escape fuera muy pequeña, lo que amplificaba los efectos del desgaste, y cuando se le da cuerda a un reloj de este período hoy en día, a menudo se encontrará que funciona muy rápido, ganando muchas horas por día.
Jost Bürgi inventó el escape de oscilación cruzada en 1584, una variación del escape de voladizo que tenía dos foliots que giraban en direcciones opuestas. [31] Según relatos de la época, sus relojes lograron una precisión notable de un minuto por día, [31] dos órdenes de magnitud mejor que otros relojes de la época. Sin embargo, esta mejora probablemente no se debió al escape en sí, sino más bien a una mejor mano de obra y a su invención del remontoire , un dispositivo que aislaba el escape de los cambios en la fuerza motriz. [31] Sin un resorte de volante, el oscilación cruzada no habría sido más isócrono que el voladizo. [31]
El escape de Galileo es un diseño de un mecanismo de escape para reloj, inventado alrededor de 1637 por el científico italiano Galileo Galilei (1564 - 1642). Fue el primer diseño de un reloj de péndulo . Como para entonces estaba ciego, Galileo le describió el dispositivo a su hijo , quien dibujó un boceto del mismo. El hijo comenzó a construir un prototipo, pero tanto él como Galileo murieron antes de que se completara.
Inventado alrededor de 1657 por Robert Hooke , el áncora (ver animación a la derecha) sustituyó rápidamente a la verja para convertirse en el escape estándar utilizado en los relojes de péndulo hasta el siglo XIX. Su ventaja era que reducía los amplios ángulos de oscilación del péndulo de la verja a 3-6°, lo que hacía que el péndulo fuera casi isócrono y permitía el uso de péndulos más largos y de movimiento más lento, que utilizaban menos energía. El áncora es responsable de la forma alargada y estrecha de la mayoría de los relojes de péndulo, y del desarrollo del reloj de pie , el primer reloj de áncora que se vendió comercialmente, que fue inventado alrededor de 1680 por William Clement, quien disputó el crédito por el escape con Hooke. El escape aumentó la precisión de los relojes de péndulo hasta tal punto que el minutero se agregó a la esfera del reloj a fines del siglo XVII (antes de esto, los relojes solo tenían una manecilla de hora).
El áncora consiste en una rueda de escape con dientes puntiagudos e inclinados hacia atrás, y una pieza en forma de "áncora" pivotada sobre ella que oscila de un lado a otro, vinculada al péndulo. El áncora tiene paletas inclinadas en los brazos que se enganchan alternativamente en los dientes de la rueda de escape, recibiendo impulsos. El funcionamiento es mecánicamente similar al escape de verge, y tiene dos de las desventajas de este último: (1) El péndulo es empujado constantemente por un diente de la rueda de escape durante todo su ciclo, y nunca se le permite oscilar libremente, lo que altera su isocronismo, y (2) es un escape de retroceso ; el áncora empuja la rueda de escape hacia atrás durante parte de su ciclo. Esto provoca holgura , mayor desgaste en los engranajes del reloj e inexactitud. Estos problemas se eliminaron en el escape de ritmo muerto , que lentamente reemplazó al áncora en los relojes de precisión.
El escape Graham o de péndulo muerto fue una mejora del escape de áncora fabricado por primera vez por Thomas Tompion a partir de un diseño de Richard Towneley en 1675 [33] [34] [35] aunque a menudo se le atribuye al sucesor de Tompion, George Graham, quien lo popularizó en 1715. [36] En el escape de áncora, la oscilación del péndulo empuja la rueda de escape hacia atrás durante parte de su ciclo. Este "retroceso" altera el movimiento del péndulo, lo que provoca inexactitud, e invierte la dirección del tren de engranajes, lo que provoca un contragolpe e introduce altas cargas en el sistema, lo que genera fricción y desgaste. La principal ventaja del escape de péndulo muerto es que elimina el retroceso. [10]
En el mecanismo de péndulo muerto, las paletas tienen una segunda cara de "bloqueo" curvada, concéntrica respecto del pivote sobre el que gira el ancla. Durante los extremos de la oscilación del péndulo, el diente de la rueda de escape se apoya contra esta cara de bloqueo, sin proporcionar impulso al péndulo, lo que evita el retroceso. Cerca del final de la oscilación del péndulo, el diente se desliza desde la cara de bloqueo hacia la cara de "impulso" en ángulo, lo que le da un empujón al péndulo, antes de que la paleta suelte el diente. El mecanismo de péndulo muerto se utilizó por primera vez en relojes reguladores de precisión, pero debido a su mayor precisión reemplazó al ancla en el siglo XIX. Se utiliza en casi todos los relojes de péndulo modernos [26], excepto en los relojes de torre que a menudo utilizan escapes de gravedad.
Inventado alrededor de 1741 por Louis Amant, esta versión de escape de cuerda muerta puede hacerse bastante resistente. En lugar de utilizar dientes, la rueda de escape tiene pasadores redondos que se detienen y liberan mediante un ancla similar a una tijera. Este escape, que también se llama escape Amant o (en Alemania) escape Mannhardt , se utiliza con bastante frecuencia en los relojes de torre. [ cita requerida ]
El escape de detención o de cronómetro se utilizó en cronómetros marinos , aunque algunos relojes de precisión durante los siglos XVIII y XIX también lo usaron. [37] Se consideró el más preciso de los escapes de volante antes de principios del siglo XX, cuando los cronómetros con escape de palanca comenzaron a superarlos en la competencia. [38] La forma temprana fue inventada por Pierre Le Roy en 1748, quien creó un tipo de escape de detención pivotada, aunque esto era teóricamente deficiente. [39] [40] [41] El primer diseño efectivo de escape de detención fue inventado por John Arnold alrededor de 1775, pero con el detención pivotado. Este escape fue modificado por Thomas Earnshaw en 1780 y patentado por Wright (para quien trabajaba) en 1783; sin embargo, como se muestra en la patente, era inviable. Arnold también diseñó un mecanismo de escape con resorte pero, gracias a un diseño mejorado, la versión de Earnshaw acabó prevaleciendo, ya que la idea básica sufrió varias modificaciones menores durante la última década del siglo XVIII. La forma final apareció alrededor de 1800 y este diseño se utilizó hasta que los cronómetros mecánicos quedaron obsoletos en la década de 1970.
El detent es un escape independiente que permite que el volante oscile sin interrupciones durante la mayor parte de su ciclo, excepto el breve período de impulso, que solo se da una vez por ciclo (cada dos oscilaciones). [39] Debido a que el diente de la rueda de escape motriz se mueve casi en paralelo al áncora, el escape tiene poca fricción y no necesita lubricación. Por estas razones, entre otras, el detent se consideró el escape más preciso para los relojes de volante. [42] John Arnold fue el primero en utilizar el escape de detent con un resorte de volante superenrollado (patentado en 1782), y con esta mejora sus relojes fueron los primeros cronometradores de bolsillo verdaderamente precisos, manteniendo el tiempo con una precisión de 1 o 2 segundos por día. Estos se produjeron a partir de 1783.
Sin embargo, el escape tenía desventajas que limitaban su uso en relojes: era frágil y requería un mantenimiento especializado; no se ponía en marcha automáticamente, por lo que si el reloj sufría un golpe durante el uso y el volante se paraba, no se ponía en marcha nuevamente; y era más difícil de fabricar en grandes cantidades. Por lo tanto, el escape de áncora con arranque automático se convirtió en el modelo dominante en los relojes.
El escape horizontal o de cilindro, inventado por Thomas Tompion en 1695 [43] y perfeccionado por George Graham en 1726, [44] fue uno de los escapes que reemplazó al escape de verja en los relojes de bolsillo después de 1700. Una de sus principales ventajas era que era mucho más delgado que la verja, lo que permitía hacer relojes elegantemente delgados. Los relojeros descubrieron que sufría un desgaste excesivo, por lo que no se usó mucho durante el siglo XVIII, excepto en unos pocos relojes de alta gama con cilindros hechos de rubí . Los franceses resolvieron este problema haciendo el cilindro y la rueda de escape de acero endurecido, [43] y el escape se usó en grandes cantidades en relojes de bolsillo y relojes pequeños franceses y suizos económicos desde mediados del siglo XIX hasta el siglo XX.
En lugar de paletas, el escape utiliza un cilindro recortado en el eje del volante, en el que los dientes del escape entran uno a uno. [43] [44] Cada diente en forma de cuña impulsa el volante mediante la presión en el borde del cilindro cuando entra, se mantiene dentro del cilindro mientras gira e impulsa el volante nuevamente cuando sale por el otro lado. El volante generalmente tenía 15 dientes e impulsaba el volante en un ángulo de 20° a 40° en cada dirección. [43] Es un escape de descanso por fricción, con los dientes en contacto con el cilindro durante todo el ciclo del volante, y por lo tanto no era tan preciso como los escapes "desprendidos" como el de palanca, y las altas fuerzas de fricción causaban un desgaste excesivo y requerían una limpieza más frecuente. [44]
El escape dúplex de los relojes fue inventado por Robert Hooke alrededor de 1700, mejorado por Jean Baptiste Dutertre y Pierre Le Roy , y puesto en forma definitiva por Thomas Tyrer, quien lo patentó en 1782. [45] Las primeras formas tenían dos ruedas de escape. El escape dúplex era difícil de hacer, pero lograba una precisión mucho mayor que el escape de cilindro, y podía igualar la del (antiguo) escape de palanca y, cuando se hacía con cuidado, era casi tan bueno como un escape de retén . [45] [46] [47] Se utilizó en relojes de bolsillo ingleses de calidad desde aproximadamente 1790 hasta 1860, [48] [49] [50] y en el Waterbury, un reloj estadounidense barato para "todos los hombres", durante 1880-1898. [51] [52]
En el dúplex, al igual que en el escape de cronómetro con el que tiene similitudes, el volante solo recibe un impulso durante uno de los dos giros de su ciclo. [48] La rueda de escape tiene dos juegos de dientes (de ahí el nombre 'dúplex'); los dientes de bloqueo largos sobresalen del costado de la rueda y los dientes de impulso cortos sobresalen axialmente desde la parte superior. El ciclo comienza con un diente de bloqueo apoyado contra el disco de rubí. A medida que el volante oscila en sentido antihorario a través de su posición central, la muesca en el disco de rubí libera el diente. A medida que gira la rueda de escape, la paleta está en la posición correcta para recibir un empuje de un diente de impulso. Luego, el siguiente diente de bloqueo cae sobre el rodillo de rubí y permanece allí mientras el volante completa su ciclo y gira de nuevo en el sentido de las agujas del reloj (CW), y el proceso se repite. Durante el giro CW, el diente de impulso cae momentáneamente en la muesca del rodillo de rubí nuevamente, pero no se libera.
El dúplex es técnicamente un escape de reposo por fricción ; el diente que descansa contra el rodillo agrega algo de fricción al volante durante su oscilación [48] [53] pero es muy mínima. Al igual que en el cronómetro, hay poca fricción deslizante durante el impulso, ya que la paleta y el diente de impulso se mueven casi en paralelo, por lo que se necesita poca lubricación. [54] Sin embargo, perdió popularidad frente a la palanca; sus tolerancias ajustadas y su sensibilidad a los golpes hicieron que los relojes dúplex no fueran adecuados para personas activas. Al igual que el cronómetro, no se pone en marcha automáticamente y es vulnerable a la "configuración"; si una sacudida repentina detiene el volante durante su oscilación en sentido horario, no puede volver a ponerse en marcha.
El escape de áncora , inventado por Thomas Mudge en 1750, se ha utilizado en la gran mayoría de los relojes desde el siglo XIX. Sus ventajas son (1) es un escape "desprendido"; a diferencia de los escapes de cilindro o dúplex, el volante solo está en contacto con la áncora durante el corto período de impulso cuando oscila a través de su posición central y oscila libremente el resto de su ciclo, lo que aumenta la precisión, y (2) es un escape de arranque automático, por lo que si el reloj se sacude de modo que el volante se detenga, se pondrá en marcha de nuevo automáticamente. La forma original era el escape de áncora de cremallera, en el que la áncora y el volante siempre estaban en contacto a través de una cremallera en la áncora. Más tarde, se descubrió que se podían quitar todos los dientes de los engranajes excepto uno, y esto creó el escape de áncora desprendido. Los relojeros británicos utilizaron la áncora desprendida inglesa, en la que la áncora estaba en ángulo recto con el volante. Más tarde, los fabricantes suizos y estadounidenses utilizaron la áncora en línea, en la que la áncora está en línea entre el volante y la rueda de escape; Esta es la forma que se utiliza en los relojes modernos. En 1798, Louis Perron inventó una forma económica y menos precisa llamada escape de paletas de pines , que se utilizó en los " relojes de dólar " baratos a principios del siglo XX y todavía se utiliza en despertadores y temporizadores de cocina baratos. [55]
Un escape mecánico raro pero interesante es el escape Grasshopper de John Harrison, inventado en 1722. En este escape, el péndulo es impulsado por dos brazos articulados (paletas). A medida que el péndulo oscila, el extremo de un brazo atrapa la rueda de escape y la impulsa ligeramente hacia atrás; esto libera el otro brazo, que se mueve para permitir que la rueda de escape pase. Cuando el péndulo oscila nuevamente hacia atrás, el otro brazo atrapa la rueda, la empuja hacia atrás y libera el primer brazo, y así sucesivamente. El escape Grasshopper se ha utilizado en muy pocos relojes desde la época de Harrison. Los escapes Grasshopper fabricados por Harrison en el siglo XVIII todavía están en funcionamiento. La mayoría de los escapes se desgastan mucho más rápidamente y gastan mucha más energía. Sin embargo, como otros escapes tempranos, el Grasshopper impulsa el péndulo durante todo su ciclo; Nunca se le permite oscilar libremente, lo que provoca errores debido a las variaciones en la fuerza motriz, [56] y los relojeros del siglo XIX lo consideraron poco competitivo con escapes más separados como el de carga muerta. [57] [56] Sin embargo, con suficiente cuidado en la construcción es capaz de alcanzar precisión. Un reloj de saltamontes experimental moderno, el Burgess Clock B, tuvo un error medido de solo 5 ⁄ 8 de segundo durante 100 días de funcionamiento. [58] Después de dos años de funcionamiento, tuvo un error de solo ± 0,5 segundos, después de la corrección barométrica. [59] [60]
Un escape de gravedad utiliza un peso pequeño o un resorte débil para dar un impulso directamente al péndulo. La forma más antigua consistía en dos brazos que pivotaban muy cerca del resorte de suspensión del péndulo con un brazo a cada lado del péndulo. Cada brazo llevaba una pequeña paleta muerta con un plano en ángulo que conducía a ella. Cuando el péndulo levantaba un brazo lo suficiente, su paleta soltaba la rueda de escape. Casi inmediatamente, otro diente de la rueda de escape comenzaba a deslizarse hacia arriba por la cara angular del otro brazo, levantando así el brazo. Alcanzaba la paleta y se detenía. Mientras tanto, el otro brazo seguía en contacto con el péndulo y volvía a bajar a un punto más bajo del que había empezado. Esta bajada del brazo proporciona el impulso al péndulo. El diseño se desarrolló de manera constante desde mediados del siglo XVIII hasta mediados del siglo XIX. Con el tiempo se convirtió en el escape de elección para los relojes de torreta , porque sus trenes de ruedas están sujetos a grandes variaciones en la fuerza de accionamiento causadas por las grandes manecillas exteriores, con sus cargas variables de viento, nieve y hielo. Dado que en un escape de gravedad, la fuerza de accionamiento del tren de ruedas no impulsa por sí misma el péndulo, sino que simplemente restablece los pesos que proporcionan el impulso, el escape no se ve afectado por las variaciones en la fuerza de accionamiento.
El "escape de gravedad de tres patas doble" que se muestra aquí es una forma de escape ideada por primera vez por un abogado llamado Bloxam y luego mejorada por Lord Grimthorpe . Es el estándar para todos los relojes de torre precisos.
En la animación que se muestra aquí, los dos "brazos de gravedad" están coloreados en azul y rojo. Las dos ruedas de escape de tres patas también están coloreadas en azul y rojo. Funcionan en dos planos paralelos de modo que la rueda azul solo impacta el bloque de bloqueo en el brazo azul y la rueda roja solo impacta el brazo rojo. En un escape real, estos impactos dan lugar a "tictacs" audibles fuertes y estos se indican mediante la aparición de un * al lado de los bloques de bloqueo. Los tres pasadores de elevación negros son clave para el funcionamiento del escape. Hacen que los brazos de gravedad con peso se eleven en una cantidad indicada por el par de líneas paralelas a cada lado del escape. Esta ganancia de energía potencial es la energía que se le da al péndulo en cada ciclo. Para el reloj Trinity College Cambridge , una masa de alrededor de 50 gramos se eleva a través de 3 mm cada 1,5 segundos, lo que equivale a 1 mW de potencia. La potencia motriz del peso que cae es de aproximadamente 12 mW, por lo que se utiliza un exceso sustancial de potencia para impulsar el escape. Gran parte de esta energía se disipa en la aceleración y desaceleración de la "mosca" friccional unida a las ruedas de escape.
El gran reloj de la Torre Elizabeth en Westminster, que hace sonar el Big Ben de Londres, utiliza un escape de gravedad doble de tres patas.
Inventado alrededor de 1974 [61] y patentado en 1980 [62] por el relojero británico George Daniels , el escape coaxial es uno de los pocos escapes de reloj nuevos adoptados comercialmente en los tiempos modernos.
Se podría considerar [ ¿según quién? ] como teniendo sus orígenes lejanos en el escape inventado por Robert Robin, c.1792, que da un solo impulso en una dirección; con el bloqueo logrado por paletas de palanca pasivas, [63] el diseño del escape coaxial es más parecido al de otra variante de Robin, el escape Fasoldt, que fue inventado y patentado por el estadounidense Charles Fasoldt en 1859. [64] [65] [66] Tanto el escape Robin como el Fasoldt dan impulso en una sola dirección.
Este último escape tiene una palanca con caídas desiguales que se acopla a dos ruedas de escape de diferentes diámetros. La rueda de impulso más pequeña actúa sobre la paleta única en el extremo de la palanca, mientras que las paletas de la palanca puntiagudas se bloquean en la rueda más grande. El volante se acopla con la palanca y es impulsado por ella a través de un pasador de rodillo y una horquilla de palanca. La paleta de "anclaje" de la palanca bloquea la rueda más grande y, al desbloquearse esta, una paleta en el extremo de la palanca recibe un impulso de la rueda más pequeña a través de la horquilla de palanca. El recorrido de retorno es "muerto", ya que las paletas de "anclaje" sirven solo para bloquear y desbloquear, y el impulso se da en una dirección a través de la paleta de palanca única. Al igual que en el dúplex, la rueda de bloqueo es más grande para reducir la presión y, por lo tanto, la fricción.
El escape Daniels, en cambio, consigue un doble impulso con áncoras pasivas que sirven únicamente para bloquear y desbloquear la rueda mayor. Por un lado, el impulso se da por medio de la rueda menor que actúa sobre la áncora a través del rodillo y el pasador de impulso. En el lado de retorno, la áncora desbloquea de nuevo la rueda mayor, que da un impulso directamente a un rodillo de impulso en el eje del volante.
La principal ventaja es que esto permite que ambos impulsos se produzcan en la línea central o alrededor de ella, con fricción de desacoplamiento en ambas direcciones. [ cita requerida ] Este modo de impulso es en teoría superior al escape de áncora, que tiene fricción de acoplamiento en la paleta de entrada. Durante mucho tiempo, esto se reconoció como una influencia perturbadora en el isocronismo del volante. [67] [68]
Los compradores ya no compran relojes mecánicos principalmente por su precisión, por lo que los fabricantes tenían poco interés en invertir en las herramientas necesarias, aunque finalmente Omega las adoptó en 1990. [68]
Dado que la precisión es mucho mayor que la que se puede conseguir con los relojes mecánicos de cuarzo de bajo coste , los diseños mejorados de escapes ya no están motivados por necesidades prácticas de cronometraje, sino como novedades en el mercado de relojes de alta gama. En un esfuerzo por atraer publicidad, en las últimas décadas algunos relojeros mecánicos de alta gama han introducido nuevos escapes. Ninguno de ellos ha sido adoptado por ningún relojero más allá de su creador original.
Basado en patentes presentadas inicialmente por Rolex en nombre del inventor Nicolas Déhon, [69] el escape constante fue desarrollado por Girard-Perregaux como prototipos funcionales en 2008 (Nicolas Déhon era entonces jefe del departamento de I+D de Girard-Perregaux) y en relojes en 2013.
El componente clave de este escape es una lámina de silicio con hebilla que almacena energía elástica. Esta lámina se flexiona hasta un punto cercano a su estado inestable y se libera con un chasquido en cada oscilación del volante para darle un impulso a la rueda, tras lo cual el tren de ruedas la vuelve a amartillar. La ventaja que se atribuye es que, dado que la lámina imparte la misma cantidad de energía a la rueda en cada liberación, el volante está aislado de las variaciones en la fuerza del impulso debidas al tren de ruedas y al resorte real que causan imprecisiones en los escapes convencionales.
Parmigiani Fleurier , con su escape Genequand, y Ulysse Nardin, con su escape Ulysse Anchor, han aprovechado las propiedades de los muelles planos de silicio. El relojero independiente De Bethune ha desarrollado un concepto en el que un imán hace vibrar un resonador a alta frecuencia, sustituyendo así al tradicional muelle de volante . [70]
A finales del siglo XIX se desarrollaron mecanismos de escape electromecánicos para los relojes de péndulo. En estos, un interruptor o fototubo activaba un electroimán durante una breve sección de la oscilación del péndulo. En algunos relojes, el pulso de electricidad que impulsaba el péndulo también impulsaba un émbolo que movía el tren de engranajes.
En 1843, Matthäus Hipp fue el primero en mencionar un reloj puramente mecánico que funcionaba con un interruptor llamado "echappement à pallete". [71] Una versión variada de ese escape se ha utilizado desde la década de 1860 en el interior de los relojes de péndulo accionados eléctricamente, el llamado "hipp-toggle". [72] Desde la década de 1870, en una versión mejorada, el péndulo impulsaba una rueda de trinquete a través de un trinquete en la varilla del péndulo, y la rueda de trinquete impulsaba el resto del tren del reloj para indicar la hora. El péndulo no se impulsaba en cada oscilación o incluso en un intervalo de tiempo establecido. Solo se impulsaba cuando su arco de oscilación había decaído por debajo de un cierto nivel. Además del trinquete de conteo, el péndulo llevaba una pequeña paleta, conocida como palanca de Hipp, que pivotaba en la parte superior, que podía oscilar con total libertad. Se colocó de manera que se arrastrara sobre un bloque triangular pulido con una ranura en forma de V en la parte superior. Cuando el arco de oscilación del péndulo era lo suficientemente grande, la paleta cruzaba la ranura y oscilaba libremente hacia el otro lado. Si el arco era demasiado pequeño, la paleta nunca se alejaba del otro lado de la ranura y, cuando el péndulo oscilaba hacia atrás, empujaba el bloque con fuerza hacia abajo. El bloque llevaba un contacto que completaba el circuito hacia el electroimán que impulsaba el péndulo. El péndulo solo se impulsaba según fuera necesario.
Este tipo de reloj se utilizaba ampliamente como reloj maestro en grandes edificios para controlar numerosos relojes esclavos. La mayoría de las centrales telefónicas utilizaban un reloj de este tipo para controlar eventos cronometrados, como los necesarios para controlar el establecimiento y el cobro de llamadas telefónicas mediante la emisión de pulsos de duración variable, como cada segundo, seis segundos, etc.
Diseñado en 1895 por Frank Hope-Jones , el interruptor Synchronome y el escape de gravedad fueron la base de la mayoría de sus relojes en el siglo XX. [73] Y también la base del péndulo esclavo en el reloj de péndulo libre Shortt-Synchronome. [74] Un brazo de recolección unido al péndulo mueve una rueda de conteo de 15 dientes en una posición, con un trinquete que impide el movimiento en la dirección inversa. La rueda tiene una paleta unida que, una vez cada giro de 30 segundos, libera el brazo de gravedad. Cuando el brazo de gravedad cae, empuja contra una paleta unida directamente al péndulo, dándole un empujón. Una vez que el brazo ha caído, hace un contacto eléctrico que energiza un electroimán para restablecer el brazo de gravedad y actúa como el impulso de medio minuto para los relojes esclavos. [75]
En el siglo XX, el relojero inglés William Hamilton Shortt inventó un reloj de péndulo libre, patentado en septiembre de 1921 y fabricado por la empresa Synchronome, con una precisión de una centésima de segundo al día. En este sistema, el péndulo "maestro" de medición del tiempo, cuya varilla está hecha de una aleación especial de acero con un 36% de níquel llamada Invar , cuya longitud cambia muy poco con la temperatura, oscila lo más libre posible de influencias externas, sellado en una cámara de vacío y no realiza ningún trabajo. Está en contacto mecánico con su escape solo durante una fracción de segundo cada 30 segundos. Un péndulo "esclavo" secundario hace girar un trinquete, que activa un electroimán algo menos de cada treinta segundos. Este electroimán libera una palanca de gravedad sobre el escape por encima del péndulo maestro. Una fracción de segundo después (pero exactamente cada 30 segundos), el movimiento del péndulo maestro libera la palanca de gravedad para que caiga más lejos. En el proceso, la palanca de gravedad da un pequeño impulso al péndulo maestro, que lo mantiene oscilando. La palanca de gravedad cae sobre un par de contactos, completando un circuito que hace varias cosas:
Como es el péndulo esclavo el que libera la palanca de gravedad, esta sincronización es vital para el funcionamiento del reloj. El mecanismo de sincronización utilizaba un pequeño resorte unido al eje del péndulo esclavo y una armadura electromagnética que atrapaba el resorte si el péndulo esclavo se retrasaba un poco, acortando así el período del péndulo esclavo para una oscilación. El péndulo esclavo se ajustaba para que funcionara ligeramente más lento, de modo que aproximadamente en cada pulso de sincronización el resorte fuera atrapado por la armadura. [76]
Esta forma de reloj se convirtió en un estándar para su uso en observatorios (se fabricaron aproximadamente 100 relojes de este tipo [77] ) y fue el primer reloj capaz de detectar pequeñas variaciones en la velocidad de rotación de la Tierra.
Escape de cilindro.
El escape dúplex...
