En relojería , el escape de ancla es un tipo de escape utilizado en los relojes de péndulo . El escape es un mecanismo en un reloj mecánico que mantiene la oscilación del péndulo dándole un pequeño empujón en cada oscilación y permite que las ruedas del reloj avancen una cantidad fija con cada oscilación, moviendo las manecillas del reloj hacia adelante. El escape del ancla se llama así porque una de sus partes principales tiene la forma vaga de un ancla de barco.
El escape del ancla fue inventado por el relojero William Clement, [1] [2] [3] quien popularizó el ancla con su invención del reloj de caja larga o de pie alrededor de 1680. Cuando apareció el reloj de Clement, Hooke reclamó la invención del escape, diciendo que había mostrado un reloj con el mismo escape a la Royal Society poco después del gran incendio de 1666, [1] [4] pero el invento de Clemente fue una mejora sustancial con respecto al escape de fuerza constante de Hooke de 1671. [5] El reloj de ancla más antiguo conocido es Wadham College Clock , un reloj de torre construido en Wadham College , Oxford , en 1670, probablemente por el relojero Joseph Knibb . [6] [4] El ancla se convirtió en el escape estándar utilizado en casi todos los relojes de péndulo.
Richard Towneley inventó una variación más precisa sin retroceso llamada escape muerto alrededor de 1675 e introducida por el relojero británico George Graham alrededor de 1715. Esto reemplazó gradualmente al escape de ancla ordinario y se utiliza en la mayoría de los relojes de péndulo modernos.
El escape del ancla consta de dos partes: la rueda de escape , que es una rueda vertical con dientes puntiagudos como dientes de sierra , y el ancla , con una forma vagamente parecida al ancla de un barco, que se balancea hacia adelante y hacia atrás sobre un pivote justo encima del escape. rueda. En los dos brazos del ancla hay unas caras curvas contra las que empujan los dientes de la rueda de escape, llamadas paletas . El eje central del ancla está unido a una horquilla empujada por el péndulo , de modo que el ancla se balancea hacia adelante y hacia atrás, con las paletas atrapando y soltando alternativamente un diente de la rueda de escape a cada lado.
Cada vez que un palet se aleja de la rueda de escape, soltando un diente, la rueda gira y un diente del otro lado se engancha en el otro palet, que se mueve hacia la rueda. El impulso del péndulo continúa moviendo la segunda paleta hacia la rueda, empujando la rueda de escape hacia atrás una distancia, hasta que el péndulo invierte la dirección y la paleta comienza a alejarse de la rueda, con el diente deslizándose por su superficie, empujándola. . Luego el diente se desliza fuera del extremo de la paleta, comenzando el ciclo nuevamente.
Ni el escape del ancla ni la forma muerta, a continuación, se inician automáticamente. Hay que hacer oscilar el péndulo para que se pongan en marcha.
El retroceso de la rueda de escape durante parte del ciclo, llamado retroceso , es una de las desventajas del escape de ancla. Esto da como resultado una inversión temporal de todo el tren de ruedas nuevamente al peso motriz con cada tic del reloj, causando desgaste adicional en el tren de ruedas, desgaste excesivo de los dientes de los engranajes e imprecisión. También puede provocar que las puntas de los dientes de la rueda de escape se claven en la superficie del palet. Para evitarlo, los dientes están inclinados hacia atrás, en sentido opuesto al de rotación, y la superficie de las paletas es ligeramente convexa. [7]
Otra razón por la que los dientes de la rueda de escape están inclinados hacia atrás es como medida de seguridad. Si se mueve el reloj sin inmovilizar el péndulo, la oscilación incontrolada del péndulo puede provocar que las paletas de anclaje choquen violentamente con la rueda de escape. Los dientes inclinados aseguran que las caras planas de las paletas de anclaje golpeen primero los lados de los dientes, protegiendo los puntos delicados contra roturas. [7]
El escape inútil (abajo) no tiene retroceso. Una forma de determinar si un reloj de péndulo antiguo tiene un ancla o un escape muerto es observar el segundero. Si se mueve ligeramente hacia atrás después de cada tic, mostrando retroceso, el reloj tiene un escape de ancla.
El eje del ancla, llamado muleta, termina en una horquilla que abraza el eje del péndulo, dándole impulsos transversales. La varilla del péndulo se cuelga de un resorte de suspensión corto y recto sujeto a un soporte resistente directamente detrás del ancla. El pivote del ancla está alineado con el punto de flexión del resorte. Esta disposición da como resultado un soporte del péndulo más estable que simplemente suspender el péndulo directamente del ancla.
El ancla es muy tolerante a las variaciones en su geometría, por lo que su forma variaba ampliamente. [7] A finales del siglo XIX, en Gran Bretaña, el diseño habitual [7] era un ángulo de 90° entre las paletas, lo que significaba ubicar el pivote del anclaje a una distancia de √ 2 ≈ 1,4 veces el radio de la rueda de escape desde el pivote de la rueda de escape. . En un reloj de pie , que tenía un péndulo que oscilaba una vez por segundo, la rueda de escape a menudo tenía 30 dientes, lo que hacía que la rueda de escape girara una vez por minuto para que el segundero pudiera fijarse a su eje. En una rueda de escape de 30 dientes, las paletas abarcan aproximadamente 7½ dientes. El ángulo de impulso de las paletas, que determinaba la oscilación del péndulo, era de 3 a 4°.
El ancla fue el segundo escape ampliamente utilizado en Europa, reemplazando al primitivo escape de borde de 400 años de antigüedad en los relojes de péndulo . Los péndulos de los relojes de escape de borde tenían oscilaciones muy amplias de 80° a 100°. En 1673, diecisiete años después de inventar el reloj de péndulo, Christiaan Huygens publicó su análisis matemático de los péndulos, Horologium Oscillatorium . En él demostró que las amplias oscilaciones del péndulo de los relojes de arcen causaban que fueran inexactos, porque el período de oscilación del péndulo no era isócrono sino que variaba en un pequeño grado debido al error circular con cambios en la amplitud de la oscilación del péndulo, que Ocurrió con cambios inevitables en la fuerza motriz. La constatación de que sólo las pequeñas oscilaciones del péndulo eran casi isócronas motivó a los relojeros a diseñar escapes con pequeñas oscilaciones.
La principal ventaja del ancla era que al ubicar las paletas más lejos del pivote, la oscilación del péndulo se reducía de alrededor de 100° en los relojes de borde a sólo 4°-6°. [8] Además de la precisión mejorada debido al isocronismo , esto permitió que los relojes usaran péndulos más largos, que tenían un "ritmo" más lento. Una menor resistencia del aire (la resistencia aerodinámica aumenta con el cuadrado de la velocidad, por lo que un péndulo más rápido experimenta una resistencia mucho mayor) significaba que necesitaban menos potencia para seguir balanceándose y causaban menos desgaste en el movimiento del reloj. El ancla también permitía el uso de una masa de péndulo más pesada para una fuerza motriz determinada, haciendo que el péndulo fuera más independiente del escape (mayor Q ) y, por tanto, más preciso. Estos largos péndulos requerían cajas de reloj largas y estrechas. Alrededor de 1680, el relojero británico William Clement comenzó a vender los primeros relojes comerciales que utilizaban el escape de ancla, relojes altos e independientes con péndulos de segundos de 1 metro (39 pulgadas) contenidos dentro de una caja larga y estrecha que pasó a denominarse relojes de caja larga o de "abuelo". [9] El ancla aumentó tanto la precisión de los relojes que alrededor de 1680-1690 el uso del minutero , anteriormente la excepción en los relojes, se convirtió en la regla. [10]
El escape de ancla reemplazó el borde en los relojes de péndulo en unos cincuenta años, aunque los relojeros franceses continuaron usando bordes hasta aproximadamente 1800. Muchos relojes de borde fueron reconstruidos con anclas. En el siglo XVIII, la forma más precisa del escape reemplazó al ancla en los reguladores de precisión, pero el ancla siguió siendo el caballo de batalla en los relojes de péndulo domésticos. Durante el siglo XIX, la forma de reloj se fue imponiendo gradualmente en la mayoría de los relojes de calidad, pero la forma de ancla todavía se utiliza en algunos relojes de péndulo en la actualidad. [8]
Los relojes de torre son uno de los pocos tipos de relojes de péndulo en los que no predominaba el escape de ancla. La fuerza variable aplicada al tren de ruedas por las grandes manos exteriores, expuestas a cargas de viento, nieve y hielo, se manejaba mejor mediante escapes de gravedad .
El escape de anclaje es fiable y tolera grandes errores geométricos en su construcción, pero su funcionamiento es similar al antiguo escape de arcén y conserva dos de las principales desventajas del arcén:
Las dos desventajas anteriores se eliminaron con la invención de una versión mejorada del escape de ancla: el escape muerto o escape Graham . Esto a menudo se atribuye erróneamente al relojero inglés George Graham, quien lo introdujo alrededor de 1715 en sus relojes reguladores de precisión. [11] [12] [13] [14] Sin embargo, en realidad fue inventado alrededor de 1675 por el astrónomo Richard Towneley , y utilizado por primera vez por el mentor de Graham, Thomas Tompion, en un reloj construido para Sir Jonas Moore , y en los dos reguladores de precisión que hizo para el nuevo Observatorio de Greenwich en 1676, [15] mencionado en la correspondencia entre el astrónomo real John Flamsteed y Towneley. [16] [17]
La forma muerta del escape de ancla es menos tolerante a la imprecisión en su fabricación o al desgaste durante el funcionamiento e inicialmente se usó solo en relojes de precisión, pero su uso se extendió durante el siglo XIX a la mayoría de los relojes de péndulo de calidad. Casi todos los relojes de péndulo fabricados hoy en día lo utilizan.
El escape muerto tiene dos caras respecto a las paletas: una cara de "bloqueo" o "muerta", con una superficie curva concéntrica con el eje sobre el que gira el ancla, y una cara inclinada de "impulso". [8] Cuando un diente de la rueda de escape descansa contra una de las caras muertas, su fuerza se dirige a través del eje de pivote del ancla, por lo que no da impulso al péndulo, lo que le permite oscilar libremente. Cuando la paleta del otro lado suelta la rueda de escape, un diente aterriza primero en esta cara "muerta" y permanece apoyado contra ella durante la mayor parte del movimiento de ida y vuelta del péndulo. Durante este período, la rueda de escape está "bloqueada" y no puede girar. Cerca de la parte inferior de la oscilación del péndulo, el diente se desliza desde la cara muerta hacia la cara inclinada de "impulso" de la plataforma, lo que permite que la rueda de escape gire y le dé un empujón al péndulo, antes de caer de la plataforma. Sigue siendo un escape de reposo por fricción porque el deslizamiento del diente de escape sobre la cara muerta añade fricción a la oscilación del péndulo, pero tiene menos fricción que el escape de retroceso porque no hay fuerza de retroceso.
En contraste con la inclinación hacia atrás de los dientes de la rueda de escape del ancla, los dientes de la rueda de escape muertas son radiales o están inclinados hacia adelante para garantizar que el diente haga contacto con la cara "muerta" de la plataforma, evitando el retroceso. [8]
Los relojeros descubrieron en el siglo XVIII que, para mayor precisión, el mejor lugar para aplicar el impulso para mantener el péndulo oscilando era en la parte inferior de su oscilación, cuando pasa por su posición de equilibrio. Si el impulso se aplica durante la caída del péndulo, antes de que llegue al fondo, la fuerza de impulso tiende a disminuir el período de oscilación, por lo que un aumento en la fuerza impulsora hace que el reloj gane tiempo. Si el impulso se aplica durante el ascenso del péndulo, después de que llega al fondo, la fuerza del impulso tiende a aumentar el período de oscilación, por lo que un aumento en la fuerza impulsora hace que el reloj pierda tiempo. Si el impulso se aplica en la parte inferior, los cambios en la fuerza del impulso teóricamente no deberían tener ningún efecto en el período.
En 1826, el astrónomo británico George Airy lo demostró; específicamente, demostró que un péndulo impulsado por un impulso impulsor que es simétrico con respecto a su posición de equilibrio inferior es isócrono para diferentes fuerzas impulsoras, ignorando la fricción, y que el escape muerto satisface aproximadamente esta condición. [18] [19] Sería exactamente satisfactorio si los dientes de la rueda de escape se hicieran caer exactamente en la esquina entre las dos caras de la paleta, pero para que el escape funcione de manera confiable, se debe hacer que los dientes caigan por encima de la esquina, en la cara de "muerto". [20]
Una de las principales causas de error en los relojes son los cambios en la fuerza motriz aplicada al escape, causados por pequeños cambios en la fricción de los engranajes o las paletas, o la fuerza cada vez menor del resorte real a medida que se desenrolla. Un escape en el que los cambios en la fuerza motriz no afectan la velocidad se llama isócrono. El rendimiento superior del deadbeat sobre el retroceso se debe a un isocronismo mejorado. Esto se debe a las diferentes formas en que los cambios en la fuerza motriz afectan la oscilación del péndulo en los dos escapes: [21]
Cuando se inventó el tiempo muerto, los relojeros inicialmente creyeron que tenía un isocronismo inferior al del ancla, debido al mayor efecto de los cambios de fuerza en la amplitud del péndulo. [21] Análisis recientes señalan que el no isocronismo del escape del ancla puede cancelar el error circular del péndulo. Es decir, un aumento en la amplitud de oscilación del ancla provoca un ligero aumento en el período de un péndulo debido al error circular , y esto puede compensar la disminución del período debido al isocronismo. Debido a este efecto, un escape de ancla cuidadosamente ajustado con paletas pulidas podría ser más preciso que un escape. [22] Esto ha sido confirmado por al menos un experimento moderno. [23] [24]
La afirmación frecuentemente repetida de que Hooke inventó el escape del ancla se originó en The artificial clock-maker (1696) de William Derham, no con Hooke, y ahora se considera falsa.
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