El reloj de péndulo libre Shortt-Synchronome es un complejo reloj de péndulo electromecánico de precisión inventado en 1921 por el ingeniero ferroviario británico William Hamilton Shortt en colaboración con el relojero Frank Hope-Jones , [1] y fabricado por Synchronome Company, Ltd., de Londres . [2] Fueron los relojes de péndulo más precisos jamás producidos comercialmente, [3] [4] [5] [6] [7] y se convirtieron en el estándar más alto para el cronometraje entre los años 1920 y 1940, [7] después de lo cual los relojes mecánicos fueron reemplazados por estándares de tiempo de cuarzo . Se utilizaron en todo el mundo en observatorios astronómicos , observatorios navales , en investigaciones científicas y como estándar primario para los servicios nacionales de difusión de la hora . El Shortt fue el primer reloj que cronometró con mayor precisión que la propia Tierra; se utilizó en 1926 para detectar pequeños cambios estacionales en la tasa de rotación de la Tierra. [3] [7] [8] Los relojes cortos alcanzaron una precisión de alrededor de un segundo por año, [3] [9] [10] [11] aunque una medición reciente indicó que eran aún más precisos. Se produjeron alrededor de 100 entre 1922 y 1956. [10] [12]
Los relojes cortos marcaban el tiempo con dos péndulos , un péndulo primario que oscilaba en un tanque de vacío y un péndulo secundario en un reloj separado, que estaba sincronizado con el primario por medios electromecánicos. El péndulo secundario estaba unido a los mecanismos de cronometraje del reloj, dejando al péndulo primario prácticamente libre de perturbaciones externas.
El reloj Shortt consta de dos unidades separadas: el péndulo principal en un tanque de vacío de cobre de 26 cm de diámetro y 125 cm de alto fijado a una pared, [13] y un reloj de péndulo de precisión asegurado a él, a unos metros de distancia. Para evitar cualquier posibilidad de acoplamiento entre los péndulos, las dos unidades se instalaron muy separadas en habitaciones diferentes o las unidades se orientaron de modo que los planos de oscilación de los dos péndulos estuvieran separados por noventa grados. El reloj secundario era una versión modificada de un reloj regulador de precisión Synchronome estándar. Los dos componentes estaban unidos por cables que transportaban pulsos eléctricos que accionaban electroimanes en los mecanismos para mantener los dos péndulos oscilando en sincronismo. La varilla del péndulo principal y su peso de 14 libras estaban hechos de aleación invar para reducir la expansión y contracción térmica del péndulo que, de otro modo, causaría que el período del péndulo variara con los cambios de temperatura. La tasa de expansión térmica residual se compensó a cero con un inserto de metal debajo de la masa. El tanque de vacío fue evacuado mediante una bomba manual a una presión de alrededor de 30 mmHg (40 hPa ) [14] para evitar que los cambios en la presión atmosférica afecten la velocidad del péndulo y también para reducir en gran medida la resistencia aerodinámica sobre el péndulo. lo que aumentó su factor Q de 25.000 a 110.000, [15] aumentando así su precisión en un factor de cuatro. Los experimentos de Shortt demostraron que a 30 mmHg la energía consumida por la flexión del resorte de suspensión era igual a la energía consumida por desviar las moléculas de aire residuales y, por lo tanto, no se requería un vacío mayor. [14]
Ambos péndulos eran péndulos de segundos , de aproximadamente 1 metro (39 pulgadas ) de largo, con un período de 2 segundos; cada oscilación del primario tomó exactamente un segundo, y el ritmo natural del secundario fue un poco más largo. Los péndulos recibieron un empujón del mecanismo una vez cada 30 segundos para mantenerlos oscilando. El reloj secundario tenía dos diales que mostraban el tiempo de cada péndulo, para verificar que estuvieran sincronizados. También tenía terminales eléctricos que producían una señal de sincronización de 1 Hz . Se podrían conectar cables a estos para transmitir la señal horaria ultraprecisa del reloj a relojes de otras ciudades, o transmitirla por radio.
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Un péndulo que oscila en el vacío sin fricción, con una amplitud constante y libre de perturbaciones externas, en teoría mantiene el tiempo perfecto. [2] Sin embargo, los péndulos de los relojes tienen que estar vinculados al mecanismo del reloj, lo que altera su oscilación natural, y esta fue la principal causa de error en los relojes de precisión de principios del siglo XX. El mecanismo de un reloj ordinario interactúa con el péndulo en cada oscilación para realizar dos funciones: primero, el péndulo debe activar algún tipo de enlace para registrar el paso del tiempo. En segundo lugar, el mecanismo del reloj, activado por el vínculo, debe darle al péndulo un empujón (impulso) para reemplazar la energía que el péndulo pierde por fricción, para mantenerlo oscilando. Estas dos funciones perturban el movimiento del péndulo.
Las ventajas del reloj Shortt son, en primer lugar, que redujo la perturbación del péndulo primario debido al impulso al darle a los péndulos un impulso exactamente una vez cada 30 segundos exactamente (30 oscilaciones del péndulo) y, en segundo lugar, eliminó todas las demás interacciones con el reloj primario. péndulo generando la señal de sincronización precisa necesaria para controlar el reloj secundario (y registrar el paso del tiempo) desde el propio mecanismo de impulso, dejando que el péndulo oscile "libre" de interferencias.
Los péndulos primario y secundario estaban unidos en un circuito de retroalimentación que mantenía al secundario sincronizado con el primario. [1] [14] El reloj secundario tenía un escape mecánico que utilizaba una rueda de conteo de 15 dientes que se movía hacia adelante en cada movimiento del péndulo hacia la derecha mediante un trinquete unido al péndulo.
Cada 15 oscilaciones (30 segundos), este escape liberaba una palanca de gravedad que empujaba el péndulo secundario. Mientras caía, la palanca de gravedad del péndulo secundario cerró un interruptor que activó un electroimán que restableció (elevó) la palanca de gravedad del péndulo secundario y también envió un pulso de corriente a un electroimán en la unidad primaria que liberó una segunda palanca de gravedad para dar la palanca de gravedad primaria. péndulo un empujón.
El impulso al péndulo primario fue proporcionado por el peso de la palanca de gravedad del péndulo primario (que actúa como un remontoire ) que rueda desde una rueda unida al péndulo primario, este mecanismo asegura que el péndulo primario reciba un impulso mecánico idéntico cada 30 segundos desde el palanca de gravedad del péndulo primario, muy cerca exactamente de la misma parte de su carrera.
La palanca de gravedad del péndulo primario que caía cerró un par de contactos en un segundo circuito eléctrico, que restableció esa palanca y proporcionó un pulso eléctrico al sincronizador de aciertos y fallos en la unidad secundaria. Aunque el comienzo del ciclo, iniciado por la unidad secundaria, podía variar en una cantidad muy pequeña cada treinta segundos, la acción de reinicio y sincronización (que sólo tuvo lugar en el momento en que la joya del conjunto del brazo de gravedad del reloj primario se salió de la rueda). en el péndulo) se fijó en la posición del péndulo primario y representó la hora exacta derivada del péndulo "libre" (primario).
El pulso del péndulo primario se utilizó para mantener el péndulo secundario en fase con él a través de un dispositivo llamado "sincronizador de aciertos y fallos". [dieciséis]
Cada 30 oscilaciones, después de que se impulsó el péndulo primario, se comparó la posición de los dos péndulos. Esto se hizo mediante un pulso eléctrico del segundo circuito, activado por la palanca de gravedad del péndulo primario, que usaba un segundo electroimán en la unidad secundaria para mover una paleta en la trayectoria de una ballesta unida al péndulo secundario. Si el péndulo secundario iba a la zaga del primario, el resorte se engancharía en la paleta (lo que se denomina "golpe"). El resorte daría un empujón al péndulo secundario, lo que acortaría el tiempo de esa oscilación. Si el péndulo secundario estuviera por delante del péndulo primario (un "fallo"), la ballesta no alcanzaría la paleta y el péndulo secundario haría su oscilación normal, sin aceleración de la ballesta.
El péndulo secundario se ajustó a una velocidad ligeramente más lenta que el primario, por lo que el secundario se retrasaría más respecto del primario en cada intervalo hasta que recibiera un "golpe" que lo pusiera adelante nuevamente. Normalmente, la aceleración resultante de un "impacto" se ajustaría para que fuera aproximadamente el doble de la pérdida normal, de modo que los ciclos de "impacto" y "fallo" se alternarían aproximadamente, de ahí el nombre del mecanismo. Este ciclo, repetido una y otra vez, mantuvo a la secundaria exactamente en sintonía con la primaria a largo plazo. Este bucle de retroalimentación funcionó como una versión electromecánica de un bucle de bloqueo de fase , utilizado más tarde en electrónica y relojes de cuarzo y atómicos .
En 1928, el inventor estadounidense Alfred Lee Loomis visitó el taller de Frank Hope-Jones y le mostraron un sexto reloj casi terminado. Después de que a Loomis le dijeron que el precio era 240 libras esterlinas (equivalente a £ 14 000 en 2019), [17] sorprendió a Hope-Jones al pedir tres relojes y pagar por adelantado el primero. Los tres relojes fueron instalados en su Laboratorio Loomis en Tuxedo Park, Nueva York . [18]
En 1984, Pierre Boucheron estudió la precisión de un reloj Shortt en funcionamiento que se exhibía en el Observatorio Naval de Estados Unidos . [3] [19] Utilizando sensores ópticos modernos que detectaban el tiempo preciso del paso del péndulo sin perturbarlo, comparó su ritmo con el de un reloj atómico durante un mes. Descubrió que era estable en 200 microsegundos por día (2,31 ppb ), equivalente a una tasa de error de un segundo en 12 años, mucho más preciso que el segundo por año que se medía anteriormente. Sus datos revelaron que el reloj era tan sensible que detectaba ligeros cambios en la gravedad debido a las distorsiones de las mareas en la Tierra sólida causadas por la gravedad del Sol y la Luna. [20]