Una rueda de equilibrio , o balanza , es el dispositivo de cronometraje utilizado en relojes mecánicos y relojes pequeños , análogo al péndulo en un reloj de péndulo . Es una rueda ponderada que gira hacia adelante y hacia atrás, regresando a su posición central mediante un resorte de torsión en espiral , conocido como resorte de equilibrio o espiral . Es impulsado por el escape , que transforma el movimiento giratorio del tren de engranajes del reloj.en impulsos entregados al volante. Cada movimiento de la rueda (llamado 'tic' o 'latido') permite que el tren de engranajes avance una cantidad determinada, moviendo las manos hacia adelante. El volante y la espiral forman juntos un oscilador armónico , que debido a la resonancia oscila preferentemente a una cierta velocidad, su frecuencia de resonancia o "latido", y resiste oscilar a otras velocidades. La combinación de la masa del volante y la elasticidad del resorte mantienen el tiempo entre cada oscilación o 'tic' muy constante, lo que explica su uso casi universal como cronometrador en relojes mecánicos hasta la actualidad. Desde su invención en el siglo XIV hasta el diapasón yLos movimientos de cuarzo estuvieron disponibles en la década de 1960, prácticamente todos los dispositivos portátiles de cronometraje usaban algún tipo de rueda de equilibrio.
Descripción general
Hasta la década de 1980, las ruedas de equilibrio eran la tecnología de cronometraje utilizada en cronómetros , cerraduras de tiempo de bóveda de banco , espoletas de tiempo para municiones , relojes de alarma , temporizadores de cocina y cronómetros , pero la tecnología de cuarzo se ha hecho cargo de estas aplicaciones, y el principal uso restante es en relojes mecánicos de calidad. .
Las ruedas de equilibrio de los relojes modernos (2007) suelen estar hechas de Glucydur , una aleación de berilio , cobre y hierro de baja expansión térmica , con resortes de una aleación de bajo coeficiente térmico de elasticidad, como Nivarox . [1] Las dos aleaciones están emparejadas para que sus respuestas de temperatura residual se cancelen, lo que resulta en un error de temperatura aún menor. Las ruedas son suaves para reducir la fricción del aire y los pivotes se apoyan en cojinetes de precisión . Las ruedas de equilibrio más antiguas usaban tornillos de peso alrededor de la llanta para ajustar el equilibrio (equilibrio), pero las ruedas modernas están preparadas por computadora en la fábrica, usando un láser para quemar un hoyo preciso en la llanta para equilibrarlas. [2] Las ruedas de equilibrio giran aproximadamente 1½ vueltas con cada oscilación, es decir, aproximadamente 270 ° a cada lado de su posición central de equilibrio. La velocidad del volante se ajusta con el regulador , una palanca con una ranura estrecha en el extremo a través de la cual pasa el resorte de equilibrio. Esto mantiene fija la parte del resorte detrás de la hendidura. Al mover la palanca, la hendidura se desliza hacia arriba y hacia abajo del resorte de equilibrio, cambiando su longitud efectiva y, por lo tanto, la tasa de vibración resonante de la balanza. Dado que el regulador interfiere con la acción del resorte, los cronómetros y algunos relojes de precisión tienen balanzas de "resorte libre" sin regulador, como el Gyromax . [1] Su tasa se ajusta mediante tornillos de peso en la llanta de equilibrio.
La tasa de vibración de una balanza se mide tradicionalmente en latidos (tics) por hora o BPH, aunque también se utilizan latidos por segundo y Hz . La duración de un latido es un movimiento de la rueda de equilibrio, entre cambios de dirección, por lo que hay dos latidos en un ciclo completo. Las balanzas de los relojes de precisión están diseñadas con ritmos más rápidos, porque se ven menos afectadas por los movimientos de la muñeca. [3] Los relojes de alarma y los temporizadores de la cocina suelen tener una frecuencia de 4 latidos por segundo (14,400 BPH). Los relojes fabricados antes de la década de 1970 generalmente tenían una frecuencia de 5 latidos por segundo (18,000 BPH). Los relojes actuales tienen tasas de 6 (21,600 BPH), 8 (28,800 BPH) y algunos tienen 10 latidos por segundo (36,000 BPH). Audemars Piguet produce actualmente un reloj con una tasa de vibración de balance muy alta de 12 latidos / s (43.200 BPH). [4] Durante la Segunda Guerra Mundial, Elgin produjo un cronómetro muy preciso que funcionaba a 40 latidos por segundo (144.000 BPH), lo que le valió el apodo de "Jitterbug". [5]
La precisión de los mejores relojes con volante en la muñeca es de unos pocos segundos al día. Los relojes con volante de equilibrio más precisos fabricados fueron los cronómetros marinos , que se utilizaban en los barcos para la navegación celeste , como una fuente de tiempo precisa para determinar la longitud . Para la Segunda Guerra Mundial habían alcanzado una precisión de 0,1 segundos por día. [6]
Periodo de oscilación
El período de oscilación de un volante T en segundos, el tiempo requerido para un ciclo completo (dos latidos), está determinado por el momento de inercia de la rueda I en kilogramo-metro 2 y la rigidez ( constante de resorte ) de su resorte de equilibrio κ en newton. -metros por radianes:
Historia
El volante apareció con los primeros relojes mecánicos, en la Europa del siglo XIV, pero parece que se desconoce exactamente cuándo o dónde se utilizó por primera vez. Es una versión mejorada del foliot , un cronometrador inercial temprano que consta de una barra recta pivotada en el centro con pesos en los extremos, que oscila hacia adelante y hacia atrás. Los pesos foliot se pueden deslizar hacia adentro o hacia afuera en la barra, para ajustar la velocidad del reloj. Los primeros relojes del norte de Europa usaban foliots, mientras que los del sur de Europa usaban ruedas de equilibrio. [7] A medida que los relojes se hicieron más pequeños, primero como relojes de soporte y relojes de linterna y luego como los primeros relojes grandes después de 1500, comenzaron a usarse ruedas de equilibrio en lugar de foliots. [8] Dado que la mayor parte de su peso se encuentra en el borde alejado del eje, un volante de equilibrio podría tener un momento de inercia mayor que un foliot del mismo tamaño y mantener un mejor tiempo. La forma de la rueda también tenía menos resistencia al aire y su geometría compensaba en parte el error de expansión térmica debido a los cambios de temperatura. [9]
Adición de resorte de equilibrio
Estas primeras ruedas de equilibrio eran cronometradoras rudimentarias porque carecían del otro elemento esencial: el resorte de equilibrio . Las primeras ruedas de equilibrio fueron empujadas en una dirección por el escape hasta que la bandera de borde que estaba en contacto con un diente en la rueda de escape se deslizó más allá de la punta del diente ("escapó") y la acción del escape se invirtió, empujando la rueda hacia atrás. La otra manera. En una rueda tan "inercial", la aceleración es proporcional a la fuerza motriz. En un reloj o reloj sin resorte de equilibrio, la fuerza motriz proporciona tanto la fuerza que acelera la rueda como la fuerza que la frena e invierte. Si la fuerza motriz aumenta, tanto la aceleración como la desaceleración aumentan, lo que hace que la rueda se empuje hacia adelante y hacia atrás más rápido. Esto hizo que el cronometraje dependiera en gran medida de la fuerza aplicada por el escape. En un reloj, la fuerza motriz proporcionada por el resorte real , aplicado al escape a través del tren de engranajes del reloj, disminuyó durante el período de funcionamiento del reloj a medida que se desenrollaba el resorte principal. Sin algunos medios para igualar la fuerza de transmisión, el reloj se ralentizó durante el período de funcionamiento entre bobinados a medida que el resorte perdía fuerza, lo que hacía que se perdiera Esta es la razón por la que todos los relojes de resorte prebalanceados requerían fusibles (o en algunos casos apilamientos ) para igualar la fuerza del resorte real que llega al escape, para lograr incluso con una precisión mínima. [10] Incluso con estos dispositivos, los relojes anteriores al resorte de equilibrio eran muy imprecisos.
La idea del resorte de equilibrio se inspiró en las observaciones de que los bordillos de cerdas elásticas, agregados para limitar la rotación de la rueda, aumentaron su precisión. [11] [12] Robert Hooke aplicó por primera vez un resorte de metal a la balanza en 1658 y Jean de Hautefeuille y Christiaan Huygens lo mejoraron a su forma espiral actual en 1674 [9] [13] La adición del resorte hizo que la rueda de equilibrio fuera un oscilador armónico , la base de todo reloj moderno . Esto significa que la rueda vibró a una frecuencia de resonancia natural o "latido" y resistió los cambios en su tasa de vibración causados por la fricción o la fuerza de transmisión cambiante. Esta innovación crucial aumentó en gran medida la precisión de los relojes, de varias horas al día [14] a quizás 10 minutos al día, [15] transformándolos de costosas novedades en cronometradores útiles.
Error de temperatura
Después de que se agregó el resorte de equilibrio, una importante fuente restante de inexactitud fue el efecto de los cambios de temperatura. Los primeros relojes tenían resortes de equilibrio hechos de acero simple y balanzas de latón o acero, y la influencia de la temperatura en estos afectó notablemente la velocidad.
Un aumento de temperatura aumenta las dimensiones del resorte de equilibrio y el equilibrio debido a la expansión térmica . La fuerza de un resorte, la fuerza de recuperación que produce en respuesta a una desviación, es proporcional a su ancho y al cubo de su espesor, e inversamente proporcional a su longitud. Un aumento de temperatura en realidad haría que un resorte fuera más fuerte si afectara solo sus dimensiones físicas. Sin embargo, un efecto mucho mayor en un resorte de equilibrio hecho de acero simple es que la elasticidad del metal del resorte disminuye significativamente a medida que aumenta la temperatura, el efecto neto es que un resorte de acero simple se debilita con el aumento de temperatura. Un aumento de temperatura también aumenta el diámetro de un volante de acero o latón, aumentando su inercia rotacional, su momento de inercia , lo que dificulta la aceleración del resorte de equilibrio. Los dos efectos del aumento de temperatura sobre las dimensiones físicas del resorte y el equilibrio, el fortalecimiento del resorte de equilibrio y el aumento de la inercia rotacional del equilibrio, tienen efectos opuestos y hasta cierto punto se cancelan entre sí. [16] El efecto principal de la temperatura que afecta la velocidad de un reloj es el debilitamiento del resorte de equilibrio al aumentar la temperatura.
En un reloj que no está compensado por los efectos de la temperatura, el resorte más débil tarda más en devolver el volante hacia el centro, por lo que el "ritmo" se vuelve más lento y el reloj pierde tiempo. Ferdinand Berthoud descubrió en 1773 que una balanza de latón ordinaria y una espiral de acero, sometida a un aumento de temperatura de 60 ° F (33 ° C), pierde 393 segundos ( 6+1 ⁄ 2 minutos) por día, de los cuales 312 segundos se deben a la disminución de la elasticidad del resorte. [17]
Ruedas de equilibrio con compensación de temperatura
La necesidad de un reloj preciso para la navegación celeste durante los viajes por mar impulsó muchos avances en la tecnología del equilibrio en la Gran Bretaña y Francia del siglo XVIII. Incluso un error de 1 segundo por día en un cronómetro marino podría resultar en un error de 17 millas en la posición del barco después de un viaje de 2 meses. John Harrison fue el primero en aplicar compensación de temperatura a un volante en 1753, utilizando un 'bordillo de compensación' bimetálico en el resorte, en los primeros cronómetros marinos exitosos, H4 y H5. Estos lograron una precisión de una fracción de segundo por día, [15] pero el bordillo de compensación no se utilizó más debido a su complejidad.
Una solución más simple fue ideada alrededor de 1765 por Pierre Le Roy , y mejorada por John Arnold y Thomas Earnshaw : el Earnshaw o volante compensador . [18] La clave era hacer que el volante cambiara de tamaño con la temperatura. Si se pudiera hacer que la balanza se redujera en diámetro a medida que se calentaba, el menor momento de inercia compensaría el debilitamiento del resorte de equilibrio, manteniendo el período de oscilación igual.
Para lograr esto, el borde exterior de la balanza se hizo de un "sándwich" de dos metales; una capa de acero en el interior fusionada con una capa de latón en el exterior. Las tiras de esta construcción bimetálica se doblan hacia el lado de acero cuando se calientan, porque la expansión térmica del latón es mayor que la del acero. La llanta se abrió en dos puntos junto a los radios de la rueda, por lo que se parecía a una forma de S (ver figura) con dos 'brazos' bimetálicos circulares. Estas ruedas a veces se denominan "balanzas Z". Un aumento de temperatura hace que los brazos se doblen hacia adentro, hacia el centro de la rueda, y el desplazamiento de masa hacia adentro reduce el momento de inercia del equilibrio, de manera similar a como una patinadora sobre hielo que gira puede reducir su momento de inercia tirando de sus brazos. Esta reducción en el momento de inercia compensó el par reducido producido por el resorte de equilibrio más débil. La cantidad de compensación se ajusta mediante pesos móviles en los brazos. Los cronómetros marinos con este tipo de equilibrio tenían errores de solo 3-4 segundos por día en un amplio rango de temperatura. [19] En la década de 1870, los saldos compensados comenzaron a usarse en relojes.
Error de temperatura media
La balanza de compensación estándar de Earnshaw redujo drásticamente el error debido a las variaciones de temperatura, pero no lo eliminó. Como lo describió por primera vez JG Ulrich, un equilibrio compensado ajustado para mantener el tiempo correcto a una temperatura baja y alta determinada será de unos pocos segundos por día rápido a temperaturas intermedias. [20] La razón es que el momento de inercia de la balanza varía con el cuadrado del radio de los brazos de compensación y, por tanto, de la temperatura. Pero la elasticidad del resorte varía linealmente con la temperatura.
Para mitigar este problema, los fabricantes de cronómetros adoptaron varios esquemas de 'compensación auxiliar', que redujeron el error por debajo de 1 segundo por día. Dichos esquemas consistían, por ejemplo, en pequeños brazos bimetálicos unidos al interior del volante. Dichos compensadores solo podrían doblarse en una dirección hacia el centro del volante, pero la propia rueda bloquearía la flexión hacia afuera. El movimiento bloqueado provoca una respuesta de temperatura no lineal que podría compensar ligeramente mejor los cambios de elasticidad en el resorte. La mayoría de los cronómetros que llegaron en primer lugar en las pruebas anuales del Observatorio de Greenwich entre 1850 y 1914 fueron diseños de compensación auxiliar. [21] La compensación auxiliar nunca se utilizó en relojes debido a su complejidad.
Mejores materiales
El volante bimetálico compensado quedó obsoleto a principios del siglo XX debido a los avances en la metalurgia. Charles Édouard Guillaume ganó un premio Nobel por la invención en 1896 de Invar , una aleación de acero al níquel con muy baja expansión térmica, y Elinvar ( El asticité invar iable ) una aleación cuya elasticidad no cambia en un amplio rango de temperatura, para resortes de equilibrio. [22] Un equilibrio invar sólido con un resorte de Elinvar no se vio afectado en gran medida por la temperatura, por lo que reemplazó el equilibrio bimetálico difícil de ajustar. Esto condujo a una serie de aleaciones mejoradas de bajo coeficiente de temperatura para balanzas y resortes.
Antes de desarrollar Elinvar, Guillaume también inventó una aleación para compensar el error de temperatura media en balanzas bimetálicas dotándola de un coeficiente de temperatura cuadrático negativo. Esta aleación, llamada anibal, es una ligera variación de invar. Negó casi por completo el efecto de la temperatura de la espiral de acero, pero aún requería un volante bimetálico compensado, conocido como volante Guillaume. Más tarde, este diseño dejó de usarse en favor de las balanzas Invar de un solo metal con resortes Elinvar. El coeficiente cuadrático se define por su lugar en la ecuación de expansión de un material; [23]
- dónde:
- es la longitud de la muestra a una temperatura de referencia
- es la temperatura por encima de la referencia
- es la longitud de la muestra a temperatura
- es el coeficiente de expansión lineal
- es el coeficiente de expansión cuadrático
Referencias
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enlaces externos
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Notas al pie
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