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 hacia adelante y hacia atrás 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 necesario para la Revolución Industrial . [3] : p.623 El reloj de péndulo doméstico fue reemplazado por relojes eléctricos sincrónicos menos costosos en las décadas de 1930 y 1940. Los relojes de péndulo ahora se conservan principalmente por su valor decorativo y antiguo .
Los relojes de péndulo deben estar estacionarios para funcionar. Cualquier movimiento o aceleración afectará el movimiento del péndulo, provocando 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 sobre péndulos realizadas por Galileo Galilei a partir de 1602. Galileo descubrió la propiedad clave que hace que los péndulos sean útiles como cronometradores: son isocrónicos, lo que significa que el período de oscilación de un péndulo es aproximadamente el mismo para oscilaciones de diferentes tamaños. . [5] [6] Galileo en 1637 describió a su hijo un mecanismo que podía mantener un péndulo oscilando, lo que ha sido llamado el primer diseño de reloj de péndulo (imagen en la parte superior) . Fue parcialmente construido por su hijo en 1649, pero ninguno vivió para terminarlo. [4] [7] La introducción del péndulo, el primer oscilador armónico utilizado en el cronometraje, aumentó enormemente la precisión de los relojes, de aproximadamente 15 minutos por día a 15 segundos por día [8] , lo que llevó a su rápida difusión como ' borde existente' y los relojes de foliot se modernizaron con péndulos. En 1659, los relojes de péndulo eran fabricados en Francia por el relojero Nicolaus Hanet y en Inglaterra por Asuero Fromanteel . [4]
Estos primeros relojes, debido a sus escapes de borde , tenían amplias oscilaciones pendulares [4] de 80 a 100°. En su análisis de los péndulos de 1673, Horologium Oscillatorium , Huygens demostró que las oscilaciones amplias hacían que el péndulo fuera impreciso, provocando que su período, y por tanto el ritmo del reloj, variara con variaciones inevitables en la fuerza motriz proporcionada por el movimiento . [4] La comprensión de los relojeros de que sólo los péndulos con pequeñas oscilaciones de unos pocos grados son isócronos motivó la invención del escape de ancla por Robert Hooke alrededor de 1658, [4] que redujo la oscilación del péndulo a 4-6°. [9] El ancla se convirtió en el escape estándar utilizado en los relojes de péndulo. Además de una mayor precisión, la estrecha oscilación del péndulo del ancla 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 afirmó haber inventado el escape del ancla, [4] pasaron a ser conocidos como relojes de pie . La mayor precisión resultante de estos desarrollos provocó que el minutero, antes raro, se agregara a las esferas de los relojes a partir de 1690. [10] [4]
La ola de innovación relojera de los siglos XVIII y XIX que siguió a la invención del péndulo trajo muchas mejoras a los relojes de péndulo. [3] : p.624 El escape muerto inventado en 1675 por Richard Towneley y popularizado por George Graham alrededor de 1715 en sus relojes "reguladores" de precisión reemplazó gradualmente al escape de ancla [11] [4] y ahora se usa en la mayoría de los relojes de péndulo modernos . La observación de que los relojes de péndulo se ralentizaban en verano llevó a la comprensión de que la expansión térmica y la contracción de la varilla del péndulo con los cambios de temperatura eran una fuente de error. Esto se resolvió mediante la invención de péndulos con temperatura compensada; el péndulo de mercurio de Graham en 1721 y el péndulo de parrilla de John Harrison en 1726. [12] [4] Con estas mejoras, a mediados del siglo XVIII los relojes de péndulo de precisión alcanzaban precisiones de unos pocos segundos por semana.
Hasta el siglo XIX, los relojes eran hechos 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 el transporte público como los trenes dependían de un cronometraje más preciso posible gracias al péndulo. [3] : p.624 La vida cotidiana se organizaba en torno al reloj de péndulo de casa. Se instalaron relojes de péndulo más precisos, llamados reguladores , en lugares de negocios y estaciones de ferrocarril y se utilizaron para programar el trabajo y ajustar otros relojes. La necesidad de un cronometraje extremadamente preciso en la navegación celeste 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 con precisión en una fracción de segundo mediante la observación de los 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 de los observatorios navales sirvieron como estándares principales para los servicios nacionales de distribución horaria que distribuían señales horarias a través de cables telegráficos . [13] A partir de 1909, la Oficina Nacional de Estándares de EE. UU. (ahora NIST ) basó el estándar de tiempo estadounidense en relojes de péndulo 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 era 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 exacta 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 horario 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 la hora más precisa porque estaba sincronizado. a la oscilación de la red eléctrica .El reloj de péndulo experimental más preciso jamás fabricado [22] [23] puede ser el Littlemore Clock construido por Edward T. Hall en la década de 1990 [24] (donado en 2003 al Museo Nacional de Relojes , Columbia, Pensilvania, EE. UU.). Los relojes de péndulo más grandes, que superan los 30 m (98 pies), se construyeron en Ginebra (1972) y Gdańsk (2016). [25] [26]
El mecanismo que hace funcionar un reloj mecánico se llama movimiento. Los movimientos de todos los relojes de péndulo mecánicos tienen estas cinco partes: [27]
Las funciones adicionales de los relojes además del cronometraje básico 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 accionado eléctricamente que proporciona impulsos al péndulo mediante fuerza magnética , y el escape se reemplaza por un interruptor o fotodetector que detecta cuando el péndulo está en posición. posición adecuada 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 simplemente una simulación decorativa.
El péndulo en la mayoría de los relojes (ver diagrama) consiste en una varilla de madera o metal (a) con un peso metálico llamado pesa (b) en el extremo. El bob tiene tradicionalmente forma de lente para reducir la resistencia del aire. Las varillas de madera se utilizaban a menudo en relojes de calidad porque la madera tenía un coeficiente de expansión térmica más bajo que el metal. La varilla suele estar suspendida del marco del reloj con un resorte corto y recto de cinta metálica (d) ; esto evita inestabilidades que fueron introducidas por un pivote convencional. En los relojes reguladores más precisos, el péndulo está suspendido por filos de cuchillos de metal que descansan sobre ágata plana (un mineral duro que conserva una superficie muy pulida).
El péndulo es impulsado por un brazo que cuelga detrás de él 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 movimiento del péndulo libera la rueda de escape, y un diente de la rueda presiona contra una de las paletas , ejerciendo un breve empujón a través de la muleta y la horquilla de la varilla del péndulo para mantenerla oscilante.
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 mide aproximadamente un metro (39 pulgadas) de largo desde el pivote hasta el centro de la esfera. Beto. Los relojes de sobremesa suelen tener un péndulo de medio segundo, que mide aproximadamente 25 centímetros (9,8 pulgadas) de largo. Sólo unos pocos relojes de torre utilizan 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 utiliza 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 el ritmo. Suele ser una tuerca de ajuste (c) debajo de la pesa del péndulo que mueve la pesa hacia arriba o hacia abajo sobre su varilla. Mover la pesa hacia arriba reduce la longitud del péndulo, lo que reduce 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 por la varilla del péndulo. En algunos relojes maestros y de torre, el ajuste se logra mediante una pequeña bandeja montada en la varilla donde se colocan o retiran pequeños pesos para cambiar la longitud efectiva, de modo que el ritmo se pueda ajustar sin detener el reloj.
El período de un péndulo aumenta ligeramente con la amplitud (amplitud) de su oscilación. La tasa de error aumenta con la amplitud, de modo que cuando se limita a pequeñas oscilaciones de unos pocos grados, el péndulo es casi isócrono ; su período es independiente de los cambios de 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 isócrono debido al hecho matemático de que la aproximación se vuelve válida cuando el ángulo se aproxima a cero. Realizada 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 aumenta, la aproximación falla gradualmente y el período ya no es fijo.
Una importante fuente de error en los relojes de péndulo es la expansión térmica; La varilla del péndulo cambia ligeramente de longitud con los cambios de temperatura, lo que provoca cambios en el ritmo del reloj. Un aumento de temperatura hace que la varilla se expanda, alargando el péndulo, por lo que su período aumenta y el reloj atrasa el tiempo. Muchos relojes antiguos de calidad utilizaban varillas pendulares 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 masa que consistía en un recipiente que contenía mercurio , metal 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 se mantuvo a una altura constante y, por tanto, su período se mantuvo constante, a pesar de los cambios de temperatura.
El péndulo con compensación de temperatura más utilizado fue el péndulo de parrilla inventado por John Harrison alrededor de 1726. Consistía en una "rejilla" de varillas paralelas de metales de alta expansión térmica, como zinc o latón , y metales de baja expansión térmica, como acero . Si se combina adecuadamente, el cambio de longitud de las varillas de alta expansión compensó el cambio de longitud de las varillas de baja expansión, logrando nuevamente un período constante del péndulo con cambios de temperatura. Este tipo de péndulo se asoció tanto con la calidad que a menudo se ven parrillas decorativas "falsas" en los relojes de péndulo, que no tienen ninguna función de compensación de temperatura real.
A partir de 1900, algunos de los relojes científicos de mayor precisión tenían péndulos fabricados con materiales de expansión ultrabaja, como la aleación de acero con níquel Invar o la sílice fundida , que requerían muy poca compensación por los efectos de la temperatura.
La viscosidad del aire a través del cual oscila el péndulo variará con la presión atmosférica, la humedad y la temperatura. Esta resistencia también requiere energía que de otro modo podría aplicarse para extender el tiempo entre devanados. Tradicionalmente, la masa del péndulo se fabrica con una forma de lente estrecha y aerodinámica para reducir la resistencia del aire, que es donde se concentra la mayor parte de la potencia motriz en un reloj de calidad. A finales del siglo XIX y principios del XX, los péndulos de los relojes reguladores de precisión de los observatorios astronómicos solían funcionar en una cámara que había sido bombeada a baja presión para reducir la resistencia y hacer que el funcionamiento del péndulo fuera aún más preciso al evitar cambios en la presión atmosférica. Se podría realizar un ajuste fino de la velocidad del reloj mediante ligeros cambios en la presión interna en la carcasa sellada.
Para marcar la hora con precisión, los relojes de péndulo deben estar nivelados. Si no es así, el péndulo oscila más hacia un lado que hacia el otro, alterando el funcionamiento simétrico del escape. Esta condición a menudo se puede escuchar de manera audible en el tictac del reloj. Los tics o "tiempos" deben estar exactamente a intervalos igualmente espaciados para dar un sonido de "tick...tock...tick...tock"; si no lo son, y tienen el sonido "tic-tac...tic-tac..." el reloj está fuera de ritmo y necesita ser nivelado. Este problema puede hacer que el reloj deje de funcionar fácilmente y es uno de los motivos más comunes de llamadas de servicio. Un nivel de burbuja o un cronómetro de reloj pueden lograr una mayor precisión que confiar en el sonido del ritmo; Los reguladores de precisión suelen tener un nivel de burbuja incorporado para la tarea. Los relojes independientes más antiguos suelen tener pies con tornillos ajustables para nivelarlos, los más recientes tienen un ajuste de nivelación en el movimiento. Algunos relojes de péndulo modernos tienen dispositivos de "ritmo automático" o de "ajuste de ritmo autorregulado" y no necesitan este ajuste.
Dado que la velocidad del péndulo aumentará con un 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 el tiempo 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 un tiempo mensurable debido a la menor gravedad. [29] La gravedad local también varía aproximadamente 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 celeste a principios del siglo XX tuvieron que recalibrarse cuando se trasladaron a una latitud diferente.
También llamado péndulo de resorte de torsión, es una masa similar a una rueda (generalmente cuatro esferas en radios transversales) suspendida de una tira vertical (cinta) de acero para resortes, que se utiliza como mecanismo de regulación en los relojes de péndulo de torsión . La rotación de la masa enrolla y desenrolla el resorte de suspensión, con el impulso de energía aplicado a la parte superior del resorte. La principal ventaja de este tipo de péndulo es su bajo consumo energético; con un período de 12 a 15 segundos, en comparación con el período del péndulo de oscilación gravitacional de 0,5 a 2 segundos, es posible fabricar relojes a los que es necesario darles cuerda sólo cada 30 días, o incluso sólo una vez al año o más. Dado que la fuerza restauradora es proporcionada por 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 a baja temperatura.
Un reloj de péndulo de torsión que sólo requiere cuerda anual a veces se denomina " 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 real se mantiene enrollado mediante cambios en la temperatura y presión atmosféricas mediante un fuelle. El reloj Atmos , por ejemplo, utiliza un péndulo de torsión con un largo período de oscilación de 60 segundos.
El escape es un enlace 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 de la oscilación del péndulo, la rueda no puede girar porque un diente descansa contra una de las paletas; esto se llama estado "bloqueado". Cada movimiento del péndulo sobre 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 movimiento, moviendo las manecillas hacia adelante a un ritmo constante, controlado por el péndulo.
Aunque el escape es necesario, su fuerza perturba 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 solucionar este problema. En los siglos XVIII y XIX, el diseño de escapes estuvo a la vanguardia de los avances en cronometraje. El escape de ancla (ver animación) fue el escape estándar utilizado hasta el siglo XIX, cuando una versión mejorada, el escape muerto , se hizo cargo de los relojes de precisión. Actualmente se utiliza en casi todos los relojes de péndulo. En algunos relojes de precisión se utilizó el remontoire , un pequeño mecanismo de resorte que se rebobina a intervalos y que sirve para aislar el escape de la fuerza variable del tren de ruedas. En los relojes de torre, el tren de ruedas debe hacer girar las manecillas grandes 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 utilizaban escapes especializados en los relojes más precisos, llamados reguladores astronómicos , que se empleaban en observatorios navales y para investigaciones científicas. El escape Riefler, utilizado en los relojes reguladores Clemens-Riefler, tenía una precisión de 10 milisegundos por día. Se desarrollaron escapes electromagnéticos, que utilizaban un interruptor o fototubo para encender un electroimán solenoide y dar un impulso al péndulo sin requerir 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 por 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 Shortt-Synchronome se convirtió brevemente en el estándar más alto para el cronometraje en los observatorios antes de que los relojes de cuarzo reemplazaran a los relojes de péndulo como estándares de precisión del tiempo.
El sistema de indicación es casi siempre el tradicional dial con manecillas móviles de horas y minutos. Muchos relojes tienen una tercera manecilla pequeña que indica los segundos en un dial subsidiario. Los relojes de péndulo generalmente están diseñados para configurarse abriendo la cubierta de vidrio y empujando manualmente el minutero alrededor del dial hasta la hora correcta. El minutero está montado sobre un manguito de fricción deslizante que permite girarlo sobre su eje. La manecilla de las horas no se acciona desde el tren de ruedas sino desde el eje del minutero a través de un pequeño conjunto de engranajes, por lo que al girar el minutero manualmente también se ajusta la manecilla de las horas.
Los relojes de péndulo son duraderos y no requieren mucho mantenimiento, lo cual es una de las razones de su popularidad.
Como en cualquier mecanismo con piezas móviles, se requiere limpieza y lubricación periódicas. 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 es necesario reemplazarlos.
Los relojes de péndulo eran más que simples cronometradores utilitarios; debido a su alto costo eran símbolos de estatus que expresaban la riqueza y cultura de sus dueños. 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 cierto modo los estilos de muebles populares durante el período. Los expertos a menudo pueden determinar cuándo se fabricó un reloj antiguo en unas pocas décadas mediante diferencias sutiles en sus cajas y esferas. Estos son algunos de los diferentes estilos de relojes de péndulo:
