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 horólogo 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 los estándares de tiempo de cuarzo . Se utilizaron en todo el mundo en observatorios astronómicos , observatorios navales , en investigación científica y como estándar primario para los servicios nacionales de difusión de la hora . El Shortt fue el primer reloj en ser un cronometrador más preciso 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 Shortt alcanzaban una precisión de alrededor de un segundo por año, [3] [9] [10] [11] aunque una medición reciente indicó que eran incluso más precisos. Se fabricaron alrededor de 100 entre 1922 y 1956. [10] [12]
Los relojes Shortt marcaban el tiempo con dos péndulos : un péndulo primario que oscilaba en un tanque de vacío y un péndulo secundario en un reloj independiente, que estaba sincronizado con el primario por medios electromecánicos. El péndulo secundario estaba unido a los mecanismos de cronometraje del reloj, lo que dejaba al péndulo primario prácticamente libre de perturbaciones externas.
El reloj Shortt consta de dos unidades independientes: 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 acoplado a él, situado a unos pocos pies de distancia. Para evitar cualquier posibilidad de acoplamiento entre los péndulos, las dos unidades se instalaron muy separadas en diferentes habitaciones, o se orientaron de forma que los planos de oscilación de los dos péndulos estuvieran separados 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 la aleación invar para reducir la expansión y contracción térmica del péndulo que, de lo contrario, haría 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 pesa. El tanque de vacío se evacuó mediante una bomba operada manualmente a una presión de alrededor de 30 mmHg (40 hPa ) [14] para evitar que los cambios en la presión atmosférica afectaran la velocidad del péndulo, y también para reducir en gran medida la resistencia aerodinámica en 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 mostraron que a 30 mmHg la energía consumida por la flexión del resorte de suspensión era igual a la energía consumida por la desviación de las moléculas de aire residuales y, por lo tanto, no se requirió un vacío mayor. [14]
Ambos péndulos eran segunderos , de aproximadamente 1 metro (39 pulgadas ) de largo, con un período de 2 segundos; cada oscilación del primario duraba exactamente un segundo, y la velocidad natural del secundario era ligeramente mayor. Los péndulos recibían un impulso del mecanismo una vez cada 30 segundos para mantenerlos oscilando. El reloj secundario tenía dos diales que mostraban el tiempo que marcaba cada péndulo, para verificar que estaban sincronizados. También tenía terminales eléctricos que producían una señal de sincronización de 1 Hz . Se podían 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, a una amplitud constante y libre de perturbaciones externas, teóricamente mantiene un 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 vínculo para registrar el paso del tiempo. Segundo, el mecanismo del reloj, activado por el vínculo, debe dar al péndulo un empujón (impulso) para reemplazar la energía que el péndulo pierde por la 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 dar a los péndulos un impulso solo una vez cada 30 segundos exactamente (30 oscilaciones del péndulo) y, en segundo lugar, eliminó toda otra interacción con el péndulo primario al generar 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 conectados entre sí en un bucle de retroalimentación que mantenía al secundario sincronizado con el primario. [1] [14] El reloj secundario tenía un escape mecánico que utilizaba una rueda de 15 dientes que se movía hacia adelante en cada oscilación del péndulo hacia la derecha mediante un trinquete unido al péndulo.
Cada 15 oscilaciones (30 segundos), este escape liberaba una palanca de gravedad que daba un empujón al péndulo secundario. A medida que caía, la palanca de gravedad del péndulo secundario cerraba un interruptor que activaba un electroimán que restablecía (elevaba) la palanca de gravedad del péndulo secundario y también enviaba un pulso de corriente a un electroimán en la unidad primaria que liberaba una segunda palanca de gravedad para dar un empujón al péndulo primario.
El impulso al péndulo primario era proporcionado por el peso de la palanca de gravedad del péndulo primario (que actuaba como remontoire ) que rodaba sobre una rueda unida al péndulo primario; este mecanismo garantizaba que el péndulo primario recibiera un impulso mecánico idéntico cada 30 segundos desde la palanca de gravedad del péndulo primario, en una parte muy cercana a la misma de su recorrido.
La palanca de gravedad del péndulo primario que descendía cerraba un par de contactos en un segundo circuito eléctrico, que restablecía dicha palanca y proporcionaba un pulso eléctrico de vuelta al sincronizador de imprevistos de 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 reajuste y sincronización (que solo se producía en el momento en que la joya del conjunto del brazo de gravedad del reloj primario salía de la rueda del péndulo) estaba fijada a la posición del péndulo primario y representaba 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 golpe y fallo". [16]
Cada 30 oscilaciones, después de que se impulsara el péndulo primario, se comparaba la posición de los dos péndulos. Esto se hacía mediante un pulso eléctrico del segundo circuito, activado por la palanca de gravedad del péndulo primario, que utilizaba un segundo electroimán en la unidad secundaria para mover una paleta hacia la trayectoria de un resorte de lámina unido al péndulo secundario. Si el péndulo secundario se retrasaba con respecto al primario, el resorte se enganchaba en la paleta (lo que se denominaba "golpe"). El resorte daba un empujón al péndulo secundario, lo que acortaba el tiempo de esa oscilación. Si el péndulo secundario se adelantaba al péndulo primario (un "error"), el resorte de lámina no alcanzaba la paleta y el péndulo secundario realizaba su oscilación normal, sin aceleración del resorte de lámina.
El péndulo secundario se ajustó a una velocidad ligeramente más lenta que el primario, por lo que el secundario se quedaría más rezagado con respecto al primario en cada intervalo hasta que recibiera un "golpe" que lo pusiera nuevamente por delante. Por lo general, la aceleración resultante de un "golpe" se ajustaría para que fuera aproximadamente el doble de la pérdida normal, de modo que los ciclos de "golpe" y "fallo" se alternaran aproximadamente, de ahí el nombre del mecanismo. Este ciclo, repetido una y otra vez, mantenía al secundario exactamente en sintonía con el primario a largo plazo. Este bucle de retroalimentación funcionaba como una versión electromecánica de un bucle de enganche 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 le dijeran a Loomis que el precio era de 240 libras esterlinas (equivalentes a 17.000 libras esterlinas en 2023), [17] sorprendió a Hope-Jones al pedir tres relojes y pagar por adelantado el primero. Los tres relojes se instalaron 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 conservaba en exhibición en el Observatorio Naval de los 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 a 200 microsegundos por día (2,31 ppb ), equivalente a una tasa de error de un segundo en 12 años, mucho más precisa que el segundo por año que se medía anteriormente. Sus datos revelaron que el reloj era tan sensible que detectaba los ligeros cambios en la gravedad debidos a las distorsiones de marea en la Tierra sólida causadas por la gravedad del Sol y la Luna. [20]