Un espiral , o espiral , es un resorte unido al volante en los relojes mecánicos . Hace que el volante oscile con una frecuencia resonante cuando el reloj está en marcha, lo que controla la velocidad a la que giran las ruedas del reloj y, por tanto, la velocidad de movimiento de las manecillas. A menudo se instala una palanca reguladora , que se puede utilizar para alterar la longitud libre del resorte y así ajustar el ritmo del reloj.
El resorte de equilibrio es un resorte de torsión helicoidal o en espiral fino que se utiliza en relojes mecánicos , despertadores , cronómetros de cocina , cronómetros marinos y otros mecanismos de cronometraje para controlar la velocidad de oscilación del volante. El resorte de equilibrio es un complemento esencial del volante, lo que hace que oscile hacia adelante y hacia atrás. El volante y el volante forman juntos un oscilador armónico , que oscila con un período preciso o "golpe" resistiendo perturbaciones externas y es responsable de la precisión del cronometraje.
La adición del resorte de equilibrio al volante alrededor de 1657 por Robert Hooke y Christiaan Huygens aumentó enormemente la precisión de los relojes portátiles, transformando los primeros relojes de bolsillo de novedades costosas en cronometradores útiles. Las mejoras en la espiral son responsables de grandes aumentos en la precisión desde entonces. Los resortes de espiral modernos están hechos de aleaciones especiales con coeficientes de temperatura bajos, como nivarox, para reducir los efectos de los cambios de temperatura en la velocidad, y tienen una forma cuidadosa para minimizar el efecto de los cambios en la fuerza motriz a medida que el resorte principal se debilita. Antes de la década de 1980, los volantes y los espirales se utilizaban en prácticamente todos los dispositivos portátiles de cronometraje, pero en las últimas décadas la tecnología electrónica de cronometraje de cuarzo ha reemplazado a los relojes mecánicos, y el principal uso que queda de los espirales es en los relojes mecánicos.
Existe cierta controversia sobre si fue inventado alrededor de 1660 por el físico británico Robert Hooke o el científico holandés Christiaan Huygens , siendo probable que Hooke fuera el primero en tener la idea, pero Huygens construyó el primer reloj funcional que utilizaba un espiral. [2] [3] Antes de esa época, los volantes o foliots sin resortes se usaban en relojes y relojes, pero eran muy sensibles a las fluctuaciones en la fuerza motriz, lo que hacía que el reloj se desacelerara a medida que se desenrollaba el resorte principal . La introducción de la espiral produjo un enorme aumento en la precisión de los relojes de bolsillo , de quizás varias horas por día [4] a 10 minutos por día [5] , lo que los convirtió por primera vez en cronometradores útiles. Los primeros espirales tenían sólo unas pocas vueltas.
Algunos de los primeros relojes tenían un regulador Barrow, que utilizaba un tornillo sin fin , pero el primer regulador ampliamente utilizado fue inventado por Thomas Tompion alrededor de 1680. [6] En el regulador Tompion, los pasadores del bordillo estaban montados en una cremallera dentada semicircular, que se ajustaba colocando una llave en un engranaje y girándolo. El regulador moderno, una palanca que gira concéntricamente con el volante, fue patentado por Joseph Bosley en 1755, pero no reemplazó al regulador Tompion hasta principios del siglo XIX. [7]
Para poder ajustar el ritmo, la espiral suele tener un regulador . El regulador es una palanca móvil montada en el puente o puente de la balanza, que gira coaxialmente con la balanza. Se forma una ranura estrecha en un extremo del regulador mediante dos pasadores que sobresalen hacia abajo, llamados pasadores de bordillo, o por un pasador de bordillo y un pasador con una sección más pesada llamada funda. El extremo de la vuelta exterior del resorte del volante se fija en un perno que está asegurado al grifo del volante. Luego, la vuelta exterior del resorte pasa a través de la ranura del regulador. La porción del resorte entre el perno y la ranura se mantiene estacionaria, de modo que la posición de la ranura controla la longitud libre del resorte. Al mover el regulador, se desliza la ranura a lo largo de la vuelta exterior del resorte, cambiando su longitud efectiva. Al alejar la ranura del perno se acorta el resorte, haciéndolo más rígido, aumentando la tasa de oscilación del volante y haciendo que el reloj gane tiempo.
El regulador interfiere ligeramente con el movimiento del resorte, lo que provoca imprecisión, por lo que los relojes de precisión, como los cronómetros marinos y algunos relojes de alta gama, tienen resorte libre , lo que significa que no tienen regulador. En cambio, su velocidad se ajusta mediante tornillos de sincronización en el volante.
Hay dos tipos principales de reguladores de resorte de espiral:
También hay un regulador de pelo o cerdas de cerdo , en el que se colocan fibras rígidas en los extremos del arco de la balanza y la detienen suavemente antes de lanzarla hacia atrás. El reloj se acelera acortando el arco. Este no es un regulador de espiral, ya que se utilizó en los primeros relojes antes de que se inventara la espiral.
También hay un regulador Barrow, pero este es en realidad el primero de los dos métodos principales para darle "tensión de configuración" al resorte real; eso requería mantener la cadena fusionada en tensión, pero no lo suficiente para impulsar el Reloj. Los relojes Verge se pueden regular ajustando la tensión de configuración, pero si alguno de los reguladores descritos anteriormente está presente, esto generalmente no se hace.
Se han utilizado varios materiales para los resortes de espiral. Al principio se utilizó acero, pero sin aplicar ningún proceso de endurecimiento o revenido; Como resultado, estos resortes se debilitarían gradualmente y el reloj comenzaría a perder tiempo. [ cita necesaria ] Algunos relojeros, por ejemplo John Arnold , utilizaron oro, que evita el problema de la corrosión pero conserva el problema del debilitamiento gradual. John Harrison utilizó por primera vez el acero endurecido y templado y posteriormente siguió siendo el material elegido hasta el siglo XX.
En 1833, EJ Dent (fabricante del Gran Reloj de las Casas del Parlamento ) experimentó con un resorte de volante de vidrio. Este se vio mucho menos afectado por el calor que el acero, lo que redujo la compensación requerida y tampoco se oxidó. Otras pruebas con resortes de vidrio revelaron que su fabricación era difícil y costosa y que padecían una percepción generalizada de fragilidad, que persistió hasta la época de la fibra de vidrio y los materiales de fibra óptica. [8] Las espirales hechas de silicio grabado se introdujeron a finales del siglo XX y no son susceptibles a la magnetización. [9]
El módulo de elasticidad de los materiales depende de la temperatura. Para la mayoría de los materiales, este coeficiente de temperatura es lo suficientemente grande como para que las variaciones de temperatura afecten significativamente el cronometraje de un volante y un resorte de equilibrio. Los primeros fabricantes de relojes con espiral, como Hooke y Huygens, observaron este efecto sin encontrar una solución.
Harrison, durante el desarrollo del cronómetro marino, resolvió el problema mediante un "bordillo de compensación", esencialmente un termómetro bimetálico que ajustaba la longitud efectiva de la espiral en función de la temperatura. Si bien este plan funcionó lo suficientemente bien como para permitirle a Harrison cumplir con los estándares establecidos por la Ley de Longitud , no fue adoptado ampliamente.
Alrededor de 1765, Pierre Le Roy (hijo de Julien Le Roy ) inventó la balanza de compensación, que se convirtió en el método estándar para la compensación de temperatura en relojes y cronómetros. En este enfoque, se modifica la forma de la balanza, o se mueven pesas de ajuste sobre los radios o el borde de la balanza, mediante un mecanismo sensible a la temperatura. Esto cambia el momento de inercia del volante y el cambio se ajusta de manera que compense el cambio en el módulo de elasticidad del resorte del volante. El diseño de balanza de compensación de Thomas Earnshaw , que consiste simplemente en un volante con borde bimetálico, se convirtió en la solución estándar para la compensación de temperatura.
Si bien la balanza de compensación era eficaz como forma de compensar el efecto de la temperatura en el resorte de la espiral, no podía proporcionar una solución completa. El diseño básico sufre un "error de temperatura media": si la compensación se ajusta para que sea exacta en temperaturas extremas, entonces estará ligeramente desviada en temperaturas entre esos extremos. Se diseñaron varios mecanismos de "compensación auxiliar" para evitar esto, pero todos ellos adolecen de ser complejos y difíciles de ajustar.
Alrededor de 1900, Charles Édouard Guillaume , inventor del elinvar , creó una solución fundamentalmente diferente . Se trata de una aleación de níquel y acero con la propiedad de que el módulo de elasticidad esencialmente no se ve afectado por la temperatura. Un reloj equipado con una espiral de elinvar no requiere ninguna compensación de temperatura o muy poca. Esto simplifica el mecanismo y también significa que el error de temperatura media también se elimina o, como mínimo, se reduce drásticamente.
Un resorte espiral obedece la ley de Hooke : el par de recuperación es proporcional al desplazamiento angular. Cuando esta propiedad se satisface exactamente, se dice que el resorte de espiral es isócrono y el período de oscilación es independiente de la amplitud de oscilación. Esta es una propiedad esencial para un cronometraje preciso, porque ningún tren de transmisión mecánico puede proporcionar una fuerza motriz absolutamente constante. Esto es particularmente cierto en relojes y relojes portátiles que funcionan con un resorte real, que proporciona una fuerza motriz decreciente a medida que se desenrolla. Otra causa de la variación de la fuerza motriz es la fricción, que varía a medida que el aceite lubricante envejece.
Los primeros relojeros encontraron empíricamente métodos para hacer que sus espirales fueran isócronos. Por ejemplo, Arnold patentó en 1776 una forma helicoidal (cilíndrica) del resorte de espiral, en la que los extremos del resorte estaban enrollados hacia adentro. En 1861 M. Phillips publicó un tratamiento teórico del problema. [10] Demostró que un espiral cuyo centro de gravedad coincide con el eje del volante es isócrono.
En la práctica general, el método más común para lograr el isocronismo es mediante el uso del sobreenrollamiento Breguet, que coloca parte de la vuelta más externa de la espiral en un plano diferente al resto del resorte. Esto permite que la espiral se expanda y contraiga de manera más uniforme y simétrica a medida que gira el volante. Se encuentran dos tipos de sobreenrollamientos: el sobreenrollamiento gradual y el Z-Bend. El sobreenrollamiento gradual se obtiene imponiendo dos giros graduales a la espiral, formando la subida al segundo plano en la mitad de la circunferencia. La curva en Z hace esto imponiendo dos torceduras de ángulos complementarios de 45 grados, logrando un ascenso al segundo plano en aproximadamente tres alturas de sección de resorte. El segundo método se realiza por motivos estéticos y es mucho más difícil de realizar. Debido a la dificultad de formar una sobreenrolladura, los relojes modernos suelen utilizar un "dogleg" ligeramente menos efectivo, que utiliza una serie de curvas pronunciadas (en el plano) para colocar parte de la espiral más externa fuera del camino del resto del resorte.
El resorte de equilibrio y el volante (que generalmente se denomina simplemente volante ) forman un oscilador armónico . El resorte de la balanza proporciona un par de recuperación que limita e invierte el movimiento de la balanza para que oscile hacia adelante y hacia atrás. Su período de resonancia lo hace resistente a los cambios de fuerzas perturbadoras, lo que lo convierte en un buen dispositivo de cronometraje. La rigidez del resorte, su coeficiente de resorte, en N·m/radian^2, junto con el momento de inercia del volante , en kg·m 2 , determina el período de oscilación de la rueda . Las ecuaciones de movimiento de la balanza se derivan de la forma angular de la ley de Hooke y de la forma angular de la segunda ley de Newton:
es la aceleración angular, . La siguiente ecuación diferencial para el movimiento de la rueda resulta de reorganizar la ecuación anterior:
La solución a esta ecuación de movimiento de la balanza es el movimiento armónico simple ; es decir, un movimiento sinusoidal de período constante:
Por tanto, de los resultados anteriores se puede extraer la siguiente ecuación para la periodicidad de la oscilación:
