Un reloj de péndulo es un reloj que utiliza un péndulo , un peso oscilante, como elemento de cronometraje . La ventaja de un péndulo para medir el tiempo es que es un oscilador armónico aproximado : oscila de un lado a otro en un intervalo de tiempo preciso que depende de su longitud y se resiste a oscilar a otras velocidades. Desde su invención en 1656 por Christiaan Huygens , inspirado por Galileo Galilei , hasta la década de 1930, el reloj de péndulo fue el cronometrador más preciso del mundo, lo que explica su uso generalizado. [1] [2] A lo largo de los siglos XVIII y XIX, los relojes de péndulo en hogares, fábricas, oficinas y estaciones de ferrocarril sirvieron como estándares de tiempo primarios para programar la vida diaria, los turnos de trabajo y el transporte público. Su mayor precisión permitió el ritmo de vida más rápido que era necesario para la Revolución Industrial . [3] : p.623 El reloj de péndulo doméstico fue reemplazado por relojes eléctricos sincrónicos menos costosos en los años 1930 y 1940. Los relojes de péndulo ahora se conservan principalmente por su valor decorativo y antiguo .
Los relojes de péndulo deben estar fijos para funcionar. Cualquier movimiento o aceleración afectará el movimiento del péndulo, lo que provocará imprecisiones, por lo que se deben utilizar otros mecanismos en los relojes portátiles.
El reloj de péndulo fue inventado el 25 de diciembre de 1656 por el científico e inventor holandés Christiaan Huygens , y patentado al año siguiente. Lo describió en su manuscrito Horologium publicado en 1658. [4] Huygens contrató la construcción de sus diseños de relojes al relojero Salomon Coster , quien realmente construyó el reloj. [4] Huygens se inspiró en las investigaciones de péndulos de Galileo Galilei a partir de 1602. Galileo descubrió la propiedad clave que hace que los péndulos sean útiles como cronómetros: son isocrónicos, lo que significa que el período de oscilación de un péndulo es aproximadamente el mismo para oscilaciones de diferentes tamaños. [5] [6] En 1637, Galileo describió a su hijo un mecanismo que podía mantener un péndulo oscilando, que se ha llamado el primer diseño de reloj de péndulo (imagen en la parte superior) . Fue construido parcialmente por su hijo en 1649, pero ninguno de los dos vivió para terminarlo. [4] [7] La introducción del péndulo, el primer oscilador armónico utilizado para medir el tiempo, aumentó enormemente la precisión de los relojes, de unos 15 minutos por día a 15 segundos por día [8], lo que llevó a su rápida difusión a medida que los relojes de " verge" y de foliot existentes se adaptaban con péndulos. En 1659, el relojero Nicolaus Hanet fabricaba relojes de péndulo en Francia y Ahasuerus Fromanteel en Inglaterra . [4]
Estos primeros relojes, debido a sus escapes de verge , tenían amplias oscilaciones del péndulo [4] de 80-100°. En su análisis de péndulos de 1673, Horologium Oscillatorium , Huygens demostró que las amplias oscilaciones hacían que el péndulo fuera impreciso, lo que hacía que su período, y por lo tanto la velocidad del reloj, variaran con variaciones inevitables en la fuerza motriz proporcionada por el movimiento . [4] La comprensión de los relojeros de que solo los péndulos con pequeñas oscilaciones de unos pocos grados son isócronos motivó la invención del escape de áncora por Robert Hooke alrededor de 1658, [4] que redujo la oscilación del péndulo a 4-6°. [9] El áncora se convirtió en el escape estándar utilizado en los relojes de péndulo. Además de una mayor precisión, la estrecha oscilación del péndulo del áncora permitió que la caja del reloj acomodara péndulos más largos y lentos, que necesitaban menos energía y causaban menos desgaste en el movimiento. El péndulo de segundos (también llamado péndulo real), de 0,994 m (39,1 pulgadas) de largo, en el que el período de tiempo es de dos segundos, se utilizó ampliamente en relojes de calidad. Los relojes largos y estrechos construidos alrededor de estos péndulos, fabricados por primera vez por William Clement alrededor de 1680, quien también reivindicó la invención del escape de áncora, [4] se conocieron como relojes de pie . La mayor precisión resultante de estos desarrollos hizo que el minutero, anteriormente poco común, se añadiera a las esferas de los relojes a partir de 1690 aproximadamente. [10] [4]
La ola de innovación relojera de los siglos XVIII y XIX que siguió a la invención del péndulo trajo consigo muchas mejoras a los relojes de péndulo. [3] : p.624 El escape de marcha muerta inventado en 1675 por Richard Towneley y popularizado por George Graham alrededor de 1715 en sus relojes de precisión "reguladores" reemplazó gradualmente al escape de áncora [11] [4] y ahora se utiliza en la mayoría de los relojes de péndulo modernos. La observación de que los relojes de péndulo se ralentizaban en verano hizo que se comprendiera que la expansión y contracción térmica de la varilla del péndulo con los cambios de temperatura era una fuente de error. Esto se resolvió con la invención de péndulos compensados por temperatura; el péndulo de mercurio por Graham en 1721 y el péndulo de rejilla por John Harrison en 1726. [12] [4] Con estas mejoras, a mediados del siglo XVIII los relojes de péndulo de precisión alcanzaron precisiones de unos pocos segundos por semana.
Hasta el siglo XIX, los relojes eran fabricados a mano por artesanos individuales y eran muy caros. [3] : p.625 La rica ornamentación de los relojes de péndulo de este período indica su valor como símbolos de estatus de los ricos. Los relojeros de cada país y región de Europa desarrollaron sus propios estilos distintivos. En el siglo XIX, la producción industrial de piezas de reloj hizo que los relojes de péndulo fueran asequibles para las familias de clase media.
Durante la Revolución Industrial , el ritmo de vida más rápido y la programación de turnos y transporte público como los trenes dependían de la medición del tiempo más precisa que posibilitaba el péndulo. [3] : p.624 La vida diaria se organizaba en torno al reloj de péndulo doméstico. Se instalaron relojes de péndulo más precisos, llamados reguladores , en lugares de negocios y estaciones de ferrocarril y se usaron para programar el trabajo y configurar otros relojes. La necesidad de una medición del tiempo extremadamente precisa en la navegación celestial para determinar la longitud en los barcos durante largos viajes por mar impulsó el desarrollo de los relojes de péndulo más precisos, llamados reguladores astronómicos . Estos instrumentos de precisión, instalados en bóvedas de relojes en observatorios navales y mantenidos precisos en una fracción de segundo mediante la observación de tránsitos de estrellas en lo alto, se utilizaron para configurar cronómetros marinos en buques navales y comerciales. A partir del siglo XIX, los reguladores astronómicos en los observatorios navales sirvieron como estándares primarios para los servicios nacionales de distribución de tiempo que distribuían señales de tiempo a través de cables telegráficos . [13] A partir de 1909, la Oficina Nacional de Normas de los Estados Unidos (ahora NIST ) basó el estándar de tiempo de los Estados Unidos en los relojes de péndulo de Riefler , con una precisión de aproximadamente 10 milisegundos por día. En 1929 cambió al reloj de péndulo libre Shortt-Synchronome antes de introducir gradualmente los estándares de cuarzo en la década de 1930. [14] [15] Con un error de menos de un segundo por año, el Shortt fue el reloj de péndulo más preciso producido comercialmente. [16] [17] [18] [19] [20]
Los relojes de péndulo siguieron siendo el estándar mundial para la medición precisa del tiempo durante 270 años, hasta la invención del reloj de cuarzo en 1927, y se utilizaron como estándares de tiempo durante la Segunda Guerra Mundial . El Servicio de Hora Francés incluyó relojes de péndulo en su conjunto de relojes estándar hasta 1954. [21] El reloj de péndulo doméstico comenzó a ser reemplazado como cronometrador doméstico durante las décadas de 1930 y 1940 por el reloj eléctrico sincrónico , que mantenía una hora más precisa porque estaba sincronizado con la oscilación de la red eléctrica .El reloj de péndulo experimental más preciso jamás construido [22] [23] puede ser el Reloj Littlemore construido por Edward T. Hall en la década de 1990 [24] (donado en 2003 al Museo Nacional de Relojes de Columbia, Pensilvania, EE. UU.). Los relojes de péndulo más grandes, que superan los 30 m (98 pies), se construyeron en Ginebra (1972) y Gdansk (2016). [25] [26]
El mecanismo que hace funcionar un reloj mecánico se llama movimiento. Los movimientos de todos los relojes mecánicos de péndulo constan de estas cinco partes: [27]
Las funciones adicionales de los relojes, además de la medición básica del tiempo, se denominan complicaciones . Los relojes de péndulo más elaborados pueden incluir estas complicaciones:
En los relojes de péndulo electromecánicos, como los que se utilizan en los relojes maestros mecánicos, la fuente de energía se reemplaza por un solenoide alimentado eléctricamente que proporciona los impulsos al péndulo mediante fuerza magnética , y el escape se reemplaza por un interruptor o fotodetector que detecta cuándo el péndulo está en la posición correcta para recibir el impulso. Estos no deben confundirse con los relojes de péndulo de cuarzo más recientes en los que un módulo de reloj de cuarzo electrónico hace oscilar un péndulo. Estos no son verdaderos relojes de péndulo porque el cronometraje está controlado por un cristal de cuarzo en el módulo, y el péndulo oscilante es meramente una simulación decorativa.
El péndulo de la mayoría de los relojes (ver diagrama) consiste en una varilla de madera o metal (a) con un peso de metal llamado pesa (b) en el extremo. La pesa tiene tradicionalmente forma de lente para reducir la resistencia del aire. Las varillas de madera se usaban a menudo en relojes de calidad porque la madera tenía un coeficiente de expansión térmica menor que el metal. La varilla suele estar suspendida del marco del reloj con un resorte corto y recto de cinta de metal (d) ; esto evita las inestabilidades que se introducían con un pivote convencional. En los relojes reguladores más precisos, el péndulo está suspendido por bordes de cuchillo de metal que descansan sobre ágata plana (un mineral duro que mantendrá una superficie muy pulida).
El péndulo es impulsado por un brazo que cuelga detrás de él y está unido a la pieza de anclaje (h) del escape , llamada "muleta" (e) , que termina en una "horquilla" (f) que abraza la varilla del péndulo. Cada oscilación del péndulo libera la rueda de escape, y un diente de la rueda presiona contra una de las paletas , ejerciendo un breve empuje a través de la muleta y la horquilla sobre la varilla del péndulo para mantenerlo oscilando.
La mayoría de los relojes de calidad, incluidos todos los relojes de pie, tienen un "péndulo de segundos", en el que cada oscilación del péndulo dura un segundo (un ciclo completo dura dos segundos), que es aproximadamente un metro (39 pulgadas) de largo desde el pivote hasta el centro de la pesa. Los relojes de repisa a menudo tienen un péndulo de medio segundo, que tiene aproximadamente 25 centímetros (9,8 pulgadas) de largo. Solo unos pocos relojes de torre usan péndulos más largos, el péndulo de 1,5 segundos, de 2,25 m (7,4 pies) de largo, u ocasionalmente el péndulo de dos segundos, de 4 m (13 pies) que se usa en el Gran Reloj de Westminster que alberga el Big Ben .
El péndulo oscila con un período que varía con la raíz cuadrada de su longitud efectiva. Para oscilaciones pequeñas, el período T , el tiempo para un ciclo completo (dos oscilaciones), es
donde L es la longitud del péndulo y g es la aceleración local de la gravedad . Todos los relojes de péndulo tienen un medio para ajustar la velocidad. Este suele ser una tuerca de ajuste (c) debajo de la pesa del péndulo que mueve la pesa hacia arriba o hacia abajo en su varilla. Mover la pesa hacia arriba reduce la longitud del péndulo, reduciendo el período del péndulo para que el reloj gane tiempo. En algunos relojes de péndulo, el ajuste fino se realiza con un ajuste auxiliar, que puede ser un pequeño peso que se mueve hacia arriba o hacia abajo de la varilla del péndulo. En algunos relojes maestros y relojes de torre, el ajuste se logra mediante una pequeña bandeja montada en la varilla donde se colocan o quitan pequeños pesos para cambiar la longitud efectiva, por lo que la velocidad se puede ajustar sin detener el reloj.
El período de un péndulo aumenta ligeramente con el ancho (amplitud) de su oscilación. La tasa de error aumenta con la amplitud, por lo que cuando se limita a pequeñas oscilaciones de unos pocos grados, el péndulo es casi isócrono ; su período es independiente de los cambios en la amplitud. Por lo tanto, la oscilación del péndulo en los relojes está limitada a 2° a 4°.
Los ángulos de oscilación pequeños tienden a comportarse de forma isócrona debido al hecho matemático de que la aproximación se vuelve válida a medida que el ángulo se acerca a cero. Con esa sustitución, la ecuación del péndulo se convierte en la ecuación de un oscilador armónico, que tiene un período fijo en todos los casos. A medida que el ángulo de oscilación se hace más grande, la aproximación falla gradualmente y el período ya no es fijo.
Una de las principales fuentes de error en los relojes de péndulo es la expansión térmica; la varilla del péndulo cambia de longitud ligeramente con los cambios de temperatura, lo que provoca cambios en la velocidad del reloj. Un aumento de temperatura hace que la varilla se expanda, lo que hace que el péndulo sea más largo, por lo que su período aumenta y el reloj pierde tiempo. Muchos relojes antiguos de calidad utilizaban varillas de péndulo de madera para reducir este error, ya que la madera se expande menos que el metal.
El primer péndulo que corrigió este error fue el péndulo de mercurio inventado por Graham en 1721, que se utilizó en relojes reguladores de precisión hasta el siglo XX. Estos tenían una pesa que consistía en un recipiente con mercurio metálico líquido . Un aumento de temperatura haría que la varilla del péndulo se expandiera, pero el mercurio en el recipiente también se expandiría y su nivel aumentaría ligeramente en el recipiente, moviendo el centro de gravedad del péndulo hacia el pivote. Al utilizar la cantidad correcta de mercurio, el centro de gravedad del péndulo permaneció a una altura constante y, por lo tanto, su período permaneció constante, a pesar de los cambios de temperatura.
El péndulo con compensación de temperatura más utilizado fue el péndulo de rejilla inventado por John Harrison alrededor de 1726. Este consistía en una "rejilla" de varillas paralelas de un metal de alta expansión térmica, como el zinc o el latón , y un metal de baja expansión térmica, como el acero . Si se combinaban adecuadamente, el cambio de longitud de las varillas de alta expansión compensaba el cambio de longitud de las varillas de baja expansión, logrando nuevamente un período constante del péndulo con los cambios de temperatura. Este tipo de péndulo se asoció tanto con la calidad que a menudo se ven rejillas decorativas "falsas" en los relojes de péndulo, que no tienen una función real de compensación de temperatura.
A partir de 1900 aproximadamente, algunos de los relojes científicos de mayor precisión tenían péndulos hechos de materiales de expansión ultrabaja, como la aleación de acero y níquel Invar o sílice fundida , que requerían muy poca compensación de los efectos de la temperatura.
La viscosidad del aire a través del cual oscila el péndulo varía con la presión atmosférica, la humedad y la temperatura. Esta fricción también requiere energía que, de otro modo, podría aplicarse para extender el tiempo entre vueltas. Tradicionalmente, el cuerpo del péndulo se fabrica con una forma de lente aerodinámica estrecha para reducir la fricción del aire, que es donde se destina la mayor parte de la energía motriz en un reloj de calidad. A fines del siglo XIX y principios del XX, los péndulos para relojes reguladores de precisión en observatorios astronómicos a menudo se operaban en una cámara que se había bombeado a baja presión para reducir la fricción y hacer que el funcionamiento del péndulo fuera aún más preciso al evitar cambios en la presión atmosférica. Se podía realizar un ajuste fino de la frecuencia del reloj mediante ligeros cambios en la presión interna en la carcasa sellada.
Para mantener la hora con precisión, los relojes de péndulo deben estar nivelados. Si no lo están, el péndulo oscila más hacia un lado que hacia el otro, alterando el funcionamiento simétrico del escape. Esta condición se puede escuchar a menudo de forma audible en el sonido del tictac del reloj. Los tictac o "golpes" deben estar a intervalos exactamente iguales para producir un sonido de "tic... tac... tic... tac"; si no lo están y tienen el sonido "tic-tac... tic-tac...", el reloj está desfasado y necesita ser nivelado. Este problema puede hacer que el reloj deje de funcionar fácilmente y es una de las razones más comunes de las llamadas de servicio. Un nivel de burbuja o un cronómetro pueden lograr una mayor precisión que confiar en el sonido del golpe; los reguladores de precisión a menudo tienen un nivel de burbuja incorporado para la tarea. Los relojes independientes más antiguos a menudo tienen patas con tornillos ajustables para nivelarlos, los más recientes tienen un ajuste de nivelación en el movimiento. Algunos relojes de péndulo modernos tienen dispositivos de "ajuste automático de latido" o "ajuste autorregulado de latido" y no necesitan este ajuste.
Dado que la velocidad del péndulo aumenta con el aumento de la gravedad y la aceleración gravitacional local varía con la latitud y la elevación de la Tierra, los relojes de péndulo de mayor precisión deben reajustarse para mantener la hora después de un movimiento. Por ejemplo, un reloj de péndulo movido desde el nivel del mar a 4000 pies (1200 m) perderá 16 segundos por día. [28] Con los relojes de péndulo más precisos, incluso mover el reloj a la cima de un edificio alto haría que perdiera tiempo medible debido a la menor gravedad. [29] La gravedad local también varía alrededor de un 0,5% con la latitud entre el ecuador y los polos, y la gravedad aumenta en latitudes más altas debido a la forma achatada de la Tierra. Por lo tanto, los relojes reguladores de precisión utilizados para la navegación celestial a principios del siglo XX tuvieron que recalibrarse cuando se movieron a una latitud diferente.
También llamado péndulo de resorte de torsión, se trata de una masa con forma de rueda (normalmente cuatro esferas sobre radios cruzados) suspendida de una tira vertical (cinta) de acero para muelles, que se utiliza como mecanismo regulador en los relojes de péndulo de torsión . La rotación de la masa enrolla y desenrolla el resorte de suspensión, y el impulso de energía se aplica a la parte superior del resorte. La principal ventaja de este tipo de péndulo es su bajo consumo de energía; con un período de 12 a 15 segundos, en comparación con el período de 0,5 a 2 s del péndulo oscilante por gravedad, es posible fabricar relojes a los que solo es necesario dar cuerda cada 30 días, o incluso solo una vez al año o más. Dado que la fuerza de recuperación la proporciona la elasticidad del resorte, que varía con la temperatura, se ve más afectado por los cambios de temperatura que un péndulo oscilante por gravedad. Los relojes de torsión más precisos utilizan un resorte de elinvar, que tiene un coeficiente de elasticidad de temperatura bajo.
Un reloj de péndulo de torsión que solo requiere cuerda anual a veces se llama " reloj de 400 días" o " reloj de aniversario ", y a veces se regala como regalo de bodas . Los péndulos de torsión también se utilizan en relojes "perpetuos" que no necesitan cuerda, ya que su resorte principal se mantiene enrollado por los cambios de temperatura y presión atmosféricas con un sistema de fuelle. El reloj Atmos , un ejemplo, utiliza un péndulo de torsión con un largo período de oscilación de 60 segundos.
El escape es un mecanismo mecánico que convierte la fuerza del tren de ruedas del reloj en impulsos que mantienen el péndulo oscilando hacia adelante y hacia atrás. Es la parte que produce el sonido de "tictac" en un reloj de péndulo en funcionamiento. La mayoría de los escapes consisten en una rueda con dientes puntiagudos llamada rueda de escape que gira mediante el tren de ruedas del reloj y superficies contra las que empujan los dientes, llamadas paletas . Durante la mayor parte del balanceo del péndulo, la rueda no puede girar porque un diente descansa sobre una de las paletas; esto se llama estado "bloqueado". Cada oscilación del péndulo, una paleta libera un diente de la rueda de escape. La rueda gira hacia adelante una cantidad fija hasta que un diente se engancha en la otra paleta. Estas liberaciones permiten que el tren de ruedas del reloj avance una cantidad fija con cada oscilación, moviendo las manecillas hacia adelante a una velocidad constante, controlada por el péndulo.
Aunque el escape es necesario, su fuerza altera el movimiento natural del péndulo, y en los relojes de péndulo de precisión este era a menudo el factor limitante de la precisión del reloj. A lo largo de los años se han utilizado diferentes escapes en los relojes de péndulo para intentar resolver este problema. En los siglos XVIII y XIX, el diseño de escapes estuvo a la vanguardia de los avances en cronometraje. El escape de áncora (ver animación) fue el escape estándar utilizado hasta el siglo XIX, cuando una versión mejorada, el escape de carga muerta , tomó el relevo en los relojes de precisión. Se utiliza en casi todos los relojes de péndulo actuales. El remontoire , un pequeño mecanismo de resorte rebobinado a intervalos que sirve para aislar el escape de la fuerza variable del tren de ruedas, se utilizó en algunos relojes de precisión. En los relojes de torre, el tren de ruedas debe hacer girar las grandes manecillas de la esfera del reloj en el exterior del edificio, y el peso de estas manecillas, que varía con la acumulación de nieve y hielo, ejerce una carga variable sobre el tren de ruedas. En los relojes de torre se utilizaban escapes de gravedad .
A finales del siglo XIX, se empezaron a utilizar escapes especializados en los relojes más precisos, llamados reguladores astronómicos , que se empleaban en observatorios navales y para la investigación científica. El escape Riefler, utilizado en los relojes reguladores Clemens-Riefler, tenía una precisión de 10 milisegundos al día. Se desarrollaron escapes electromagnéticos, que utilizaban un interruptor o fototubo para activar un electroimán solenoide para dar un impulso al péndulo sin necesidad de un enlace mecánico. El reloj de péndulo más preciso fue el reloj Shortt-Synchronome, un complicado reloj electromecánico con dos péndulos desarrollado en 1923 por WH Shortt y Frank Hope-Jones , que tenía una precisión de más de un segundo al año. Un péndulo esclavo en un reloj separado estaba conectado mediante un circuito eléctrico y electroimanes a un péndulo maestro en un tanque de vacío. El péndulo esclavo realizaba las funciones de cronometraje, dejando que el péndulo maestro oscilara prácticamente sin ser perturbado por influencias externas. En la década de 1920, el sincrónico Shortt se convirtió durante un breve período en el estándar más alto para medir el tiempo en los observatorios antes de que los relojes de cuarzo reemplazaran a los relojes de péndulo como estándares de tiempo de precisión.
El sistema de indicación es casi siempre el tradicional dial con manecillas móviles de horas y minutos. Muchos relojes tienen una pequeña tercera manecilla que indica los segundos en un dial secundario. Los relojes de péndulo suelen estar diseñados para ajustarse abriendo la tapa de cristal y empujando manualmente la manecilla de minutos alrededor del dial hasta la hora correcta. La manecilla de minutos está montada sobre un manguito de fricción deslizante que permite girarla sobre su eje. La manecilla de horas no se acciona desde el tren de ruedas , sino desde el eje de la manecilla de minutos a través de un pequeño conjunto de engranajes, por lo que al girar la manecilla de minutos manualmente también se ajusta la manecilla de horas.
Los relojes de péndulo son duraderos y no requieren mucho mantenimiento, lo que es una de las razones de su popularidad.
Como en cualquier mecanismo con partes móviles, es necesaria una limpieza y lubricación periódica. Se han desarrollado lubricantes específicos de baja viscosidad para relojes, siendo uno de los más utilizados un aceite sintético de polialcanoato .
Los resortes y pasadores pueden desgastarse y romperse y necesitar ser reemplazados.
Los relojes de péndulo eran más que simples cronómetros utilitarios; debido a su alto costo, eran símbolos de estatus que expresaban la riqueza y la cultura de sus propietarios. Evolucionaron en una serie de estilos tradicionales, específicos de diferentes países y épocas, así como de su uso previsto. Los estilos de las cajas reflejan en cierta medida los estilos de mobiliario populares durante el período. Los expertos a menudo pueden determinar con precisión cuándo se fabricó un reloj antiguo en unas pocas décadas por las diferencias sutiles en sus cajas y esferas. Estos son algunos de los diferentes estilos de relojes de péndulo:
