Un volante , o balanza , es el dispositivo de cronometraje utilizado en relojes mecánicos y relojes pequeños , análogo al péndulo en un reloj de péndulo . Es una rueda con peso que gira hacia adelante y hacia atrás, siendo devuelta a su posición central por un resorte de torsión en espiral , conocido como resorte de espiral o espiral . Está impulsado por el escape , que transforma el movimiento giratorio del tren de engranajes del reloj en impulsos entregados al volante. Cada movimiento de la rueda (llamado "tick" o "ritmo") permite que el tren de engranajes avance una cantidad determinada, moviendo las manos hacia adelante. El volante y la espiral forman juntos un oscilador armónico , que debido a la resonancia oscila preferentemente a una cierta frecuencia, su frecuencia de resonancia o "golpe", y se resiste a oscilar a otras velocidades. La combinación de la masa del volante y la elasticidad del resorte mantiene el tiempo entre cada oscilación o "tic" muy constante, lo que explica su uso casi universal como cronometrador en relojes mecánicos hasta el presente. Desde su invención en el siglo XIV hasta que los diapasones y los movimientos de cuarzo estuvieron disponibles en la década de 1960, prácticamente todos los dispositivos portátiles de cronometraje utilizaban algún tipo de volante.
Hasta la década de 1980, los volantes eran la tecnología de cronometraje utilizada en cronómetros , cerraduras de tiempo de bóvedas de bancos , espoletas para municiones , despertadores , cronómetros de cocina y cronómetros , pero la tecnología del cuarzo se ha hecho cargo de estas aplicaciones, y el principal uso restante es en relojes mecánicos de calidad. .
Los volantes de relojes modernos (2007) suelen estar hechos de Glucydur , una aleación de berilio , cobre y hierro de baja expansión térmica , con resortes de una aleación de bajo coeficiente térmico de elasticidad como Nivarox . [1] Las dos aleaciones están combinadas de modo que sus respuestas de temperatura residual se cancelan, lo que resulta en un error de temperatura aún menor. Las ruedas son suaves para reducir la fricción del aire y los pivotes se apoyan en cojinetes de precisión . Las ruedas de equilibrio más antiguas usaban tornillos de peso alrededor del borde para ajustar el equilibrio, pero las ruedas modernas están preparadas por computadora en la fábrica, usando un láser para grabar un hoyo preciso en el borde para equilibrarlas. [2] Las ruedas de equilibrio giran aproximadamente 1+1 ⁄ 2 vueltas con cada movimiento, es decir, aproximadamente 270° a cada lado de su posición central de equilibrio. El régimen del volante se ajusta con el regulador , una palanca con una hendidura estrecha en el extremo por donde pasa el resorte del volante. Esto mantiene fija la parte del resorte detrás de la ranura. Al mover la palanca, se desliza la hendidura hacia arriba y hacia abajo del resorte de la balanza, cambiando su longitud efectiva y, por lo tanto, la tasa de vibración resonante de la balanza. Dado que el regulador interfiere con la acción del resorte, los cronómetros y algunos relojes de precisión tienen balanzas de "resorte libre" sin regulador, como el Gyromax . [1] Su velocidad se ajusta mediante tornillos de peso en el aro de equilibrio.
La tasa de vibración de una balanza se mide tradicionalmente en latidos (tics) por hora, o BPH, aunque también se utilizan latidos por segundo y Hz . La duración de un tiempo es un movimiento del volante, entre inversiones de dirección, por lo que hay dos tiempos en un ciclo completo. Los volantes de los relojes de precisión están diseñados con ritmos más rápidos, porque se ven menos afectados por los movimientos de la muñeca. [3] Los despertadores y los cronómetros de cocina suelen tener una frecuencia de 4 latidos por segundo (14.400 BPH). Los relojes fabricados antes de la década de 1970 solían tener una frecuencia de 5 latidos por segundo (18.000 BPH). Los relojes actuales tienen velocidades de 6 (21.600 BPH), 8 (28.800 BPH) y algunos tienen 10 latidos por segundo (36.000 BPH). Audemars Piguet produce actualmente un reloj con una tasa de vibración de volante muy alta de 12 latidos/s (43.200 BPH). [4] Durante la Segunda Guerra Mundial , Elgin produjo un cronómetro muy preciso para las tripulaciones de los bombarderos de la Fuerza Aérea de EE. UU. que funcionaba a 40 latidos por segundo (144.000 BPH), lo que le valió el sobrenombre de 'Jitterbug'. [5]
La precisión de los mejores relojes con volante en la muñeca es de unos pocos segundos por día. Los relojes con volante más precisos fabricados eran los cronómetros marinos , que se utilizaban en los barcos para la navegación celeste , como fuente de tiempo precisa para determinar la longitud . Durante la Segunda Guerra Mundial habían alcanzado precisiones de 0,1 segundos por día. [6]
El período de oscilación de un volante T en segundos, el tiempo requerido para un ciclo completo (dos tiempos), está determinado por el momento de inercia de la rueda I en kilogramos-metro 2 y la rigidez ( constante de resorte ) de su resorte de volante κ en newton. -metros por radianes:
El volante apareció con los primeros relojes mecánicos, en la Europa del siglo XIV, pero parece que se desconoce exactamente cuándo o dónde se utilizó por primera vez. Es una versión mejorada del foliot , uno de los primeros cronometradores inerciales que consistía en una barra recta pivotada en el centro con pesas en los extremos, que oscila hacia adelante y hacia atrás. Las pesas foliot se podían deslizar hacia adentro o hacia afuera en la barra para ajustar el ritmo del reloj. Los primeros relojes del norte de Europa utilizaban foliots, mientras que los del sur de Europa utilizaban volantes. [7] A medida que los relojes se hicieron más pequeños, primero como relojes de soporte y relojes de linterna y luego como los primeros relojes grandes después de 1500, se comenzaron a utilizar volantes en lugar de foliots. [8] Dado que una mayor parte de su peso se encuentra en la llanta alejada del eje, un volante podría tener un momento de inercia mayor que un foliot del mismo tamaño y mantener un mejor tiempo. La forma de la rueda también tenía menos resistencia al aire y su geometría compensaba en parte el error de expansión térmica debido a los cambios de temperatura. [9]
Estos primeros volantes eran toscos cronometradores porque carecían del otro elemento esencial: el resorte del volante . Los primeros volantes eran empujados en una dirección por el escape hasta que la bandera de borde que estaba en contacto con un diente en la rueda de escape se deslizó más allá de la punta del diente ("escapó") y la acción del escape se invirtió, empujando la rueda hacia atrás. La otra manera. En una rueda tan "inercial", la aceleración es proporcional a la fuerza motriz. En un reloj sin espiral, la fuerza motriz proporciona tanto la fuerza que acelera la rueda como la fuerza que la frena y la invierte. Si se aumenta la fuerza motriz, aumentan tanto la aceleración como la desaceleración, lo que hace que la rueda se empuje hacia adelante y hacia atrás más rápido. Esto hizo que el cronometraje dependiera en gran medida de la fuerza aplicada por el escape. En un reloj, la fuerza motriz proporcionada por el resorte real , aplicada al escape a través del tren de engranajes del reloj, disminuyó durante el período de funcionamiento del reloj a medida que el resorte real se desenrollaba. Sin algún medio para igualar la fuerza motriz, el reloj se desaceleró durante el período de funcionamiento entre vueltas cuando el resorte perdió fuerza, lo que provocó que perdiera tiempo. Esta es la razón por la que todos los relojes con resorte preequilibrado requerían fusibles (o en algunos casos apilados ) para igualar la fuerza del resorte real que llega al escape, para lograr incluso una precisión mínima. [10] Incluso con estos dispositivos, los relojes anteriores a la espiral eran muy inexactos.
La idea del resorte de equilibrio se inspiró en las observaciones de que los bordillos elásticos de cerdas de cerdo, agregados para limitar la rotación de la rueda, aumentaban su precisión. [11] [12] Robert Hooke aplicó por primera vez un resorte metálico a la balanza en 1658 y Jean de Hautefeuille y Christiaan Huygens lo mejoraron hasta su forma espiral actual en 1674. [9] [13] [14] La adición del resorte hizo el volante es un oscilador armónico , la base de todo reloj moderno . Esto significa que la rueda vibró a una frecuencia de resonancia natural o "golpe" y resistió los cambios en su tasa de vibración causados por la fricción o el cambio de la fuerza motriz. Esta innovación crucial aumentó enormemente la precisión de los relojes, de varias horas por día [15] a quizás 10 minutos por día [16] , transformándolos de novedades costosas en cronometradores útiles.
Después de agregar el resorte de espiral, una importante fuente de inexactitud fue el efecto de los cambios de temperatura. Los primeros relojes tenían espirales de acero simple y volantes de latón o acero, y la influencia de la temperatura sobre estos afectaba notablemente el ritmo.
Un aumento de temperatura aumenta las dimensiones del espiral y del volante debido a la expansión térmica . La fuerza de un resorte, la fuerza restauradora que produce en respuesta a una deflexión, es proporcional a su ancho y al cubo de su espesor, e inversamente proporcional a su longitud. En realidad, un aumento de temperatura haría que un manantial fuera más fuerte si afectara sólo a sus dimensiones físicas. Sin embargo, un efecto mucho mayor en un resorte espiral hecho de acero simple es que la elasticidad del metal del resorte disminuye significativamente a medida que aumenta la temperatura, siendo el efecto neto que un resorte de acero simple se debilita al aumentar la temperatura. Un aumento de temperatura también aumenta el diámetro de un volante de acero o latón, aumentando su inercia rotacional, su momento de inercia , lo que dificulta que el resorte del volante acelere. Los dos efectos del aumento de temperatura sobre las dimensiones físicas del resorte y de la balanza, el fortalecimiento de la espiral y el aumento de la inercia rotacional de la balanza, tienen efectos opuestos y en cierta medida se anulan entre sí. [17] El principal efecto de la temperatura que afecta el ritmo de un reloj es el debilitamiento de la espiral al aumentar la temperatura.
En un reloj que no está compensado por los efectos de la temperatura, el resorte más débil tarda más en devolver el volante hacia el centro, por lo que el "latido" se vuelve más lento y el reloj pierde tiempo. Ferdinand Berthoud descubrió en 1773 que una balanza ordinaria de latón y una espiral de acero, sometidas a un aumento de temperatura de 60 °F (33 °C), pierde 393 segundos ( 6+1 ⁄ 2 minutos) por día, de los cuales 312 segundos se deben a la disminución de la elasticidad del resorte. [18]
La necesidad de un reloj preciso para la navegación celeste durante los viajes por mar impulsó muchos avances en la tecnología del equilibrio en Gran Bretaña y Francia del siglo XVIII. Incluso un error de 1 segundo por día en un cronómetro marino podría resultar en un error de 17 millas (27 km) en la posición del barco después de un viaje de 2 meses. John Harrison fue el primero en aplicar compensación de temperatura a un volante en 1753, utilizando un "bordillo de compensación" bimetálico en el resorte, en los primeros cronómetros marinos exitosos, H4 y H5. Estos lograron una precisión de una fracción de segundo por día, [16] pero el freno de compensación no se volvió a utilizar debido a su complejidad.
Una solución más sencilla fue ideada alrededor de 1765 por Pierre Le Roy , y mejorada por John Arnold y Thomas Earnshaw : el Earnshaw o volante compensador . [19] La clave era hacer que el volante cambiara de tamaño con la temperatura. Si se pudiera hacer que la balanza redujera su diámetro a medida que se calentaba, el menor momento de inercia compensaría el debilitamiento del resorte de la balanza, manteniendo el mismo período de oscilación.
Para lograr esto, el borde exterior de la balanza estaba hecho de un "sándwich" de dos metales; una capa de acero en el interior fusionada con una capa de latón en el exterior. Las tiras de esta construcción bimetálica se doblan hacia el lado de acero cuando se calientan, porque la expansión térmica del latón es mayor que la del acero. La llanta se abrió en dos puntos junto a los radios de la rueda, por lo que parecía una forma de S (ver figura) con dos "brazos" bimetálicos circulares. Estas ruedas a veces se denominan "equilibrios Z". Un aumento de temperatura hace que los brazos se doblen hacia adentro, hacia el centro de la rueda, y el desplazamiento de masa hacia adentro reduce el momento de inercia del equilibrio, de manera similar a la forma en que un patinador sobre hielo que gira puede reducir su momento de inercia tirando de sus brazos. Esta reducción en el momento de inercia compensó el par reducido producido por el resorte de equilibrio más débil. El importe de la compensación se ajusta mediante pesas móviles en los brazos. Los cronómetros marinos con este tipo de volante tenían errores de sólo 3 a 4 segundos por día en un amplio rango de temperaturas. [20] En la década de 1870, las balanzas compensadas comenzaron a utilizarse en los relojes.
La balanza de compensación estándar de Earnshaw redujo drásticamente el error debido a las variaciones de temperatura, pero no lo eliminó. Como lo describió por primera vez JG Ulrich, un equilibrio compensado ajustado para mantener la hora correcta a una temperatura alta y baja dada será un ayuno de unos segundos por día a temperaturas intermedias. [21] La razón es que el momento de inercia de la balanza varía con el cuadrado del radio de los brazos de compensación y, por tanto, de la temperatura. Pero la elasticidad del resorte varía linealmente con la temperatura.
Para mitigar este problema, los fabricantes de cronómetros adoptaron varios esquemas de "compensación auxiliar", que redujeron el error por debajo de 1 segundo por día. Estos sistemas consistían, por ejemplo, en pequeños brazos bimetálicos fijados en el interior del volante. Dichos compensadores sólo podrían doblarse en una dirección hacia el centro del volante, pero la curvatura hacia afuera sería bloqueada por la propia rueda. El movimiento bloqueado provoca una respuesta de temperatura no lineal que podría compensar ligeramente mejor los cambios de elasticidad en el resorte. La mayoría de los cronómetros que obtuvieron los primeros resultados en las pruebas anuales del Observatorio de Greenwich entre 1850 y 1914 eran diseños de compensación auxiliar. [22] La compensación auxiliar nunca se utilizó en los relojes debido a su complejidad.
El volante compensado bimetálico quedó obsoleto a principios del siglo XX debido a los avances en la metalurgia. Charles Édouard Guillaume ganó el premio Nobel por la invención en 1896 de Invar , una aleación de acero al níquel con muy baja expansión térmica, y Elinvar (de élasticité invariable , 'elasticidad invariable'), una aleación cuya elasticidad no cambia en un amplio rango de temperaturas, para mantener el equilibrio. muelles. [23] Una balanza sólida de Invar con un resorte de Elinvar no se vio afectada en gran medida por la temperatura, por lo que reemplazó la balanza bimetálica, difícil de ajustar. Esto condujo a una serie de aleaciones mejoradas con coeficientes de baja temperatura para volantes y resortes.
Antes de desarrollar Elinvar, Guillaume también inventó una aleación para compensar el error de temperatura media en balanzas bimetálicas dotándola de un coeficiente de temperatura cuadrático negativo. Esta aleación, denominada aníbal, es una ligera variación del invar. Anulaba casi por completo el efecto de la temperatura de la espiral de acero, pero aun así requería un volante bimetálico compensado, conocido como volante Guillaume. Este diseño se instaló mayoritariamente en cronómetros de alta precisión destinados a la competición en observatorios. El coeficiente cuadrático se define por su lugar en la ecuación de expansión de un material; [24]
dónde:
{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)