Relojería y Temporizadores Mecánicos

¿Qué es?

Una forma de medir y usar el tiempo construida enteramente a partir de energía mecánica almacenada y piezas móviles — sin baterías, sin circuitos. Tres piezas trabajan juntas: un almacén de energía (un muelle de cuerda o un peso colgante), un tren de engranajes (una cadena de ruedas dentadas que transmite esa energía al resto del mecanismo), y un escape (una pieza que libera la energía almacenada en pequeños pasos, uniformemente cronometrados, en lugar de dejarla salir toda a la vez).

¿Para qué sirve?

En cualquier lugar donde un dispositivo necesite medir o racionar el tiempo y la electrónica no esté disponible, sea poco fiable o indeseable: relojes mecánicos de pulsera y de pared, temporizadores de cocina y de cuarto oscuro, despertadores de cuerda, enclavamientos mecánicos y mecanismos de retardo, y — históricamente — los cronómetros marinos que permitían a los barcos determinar la longitud en el mar. Debido a que un temporizador mecánico bien hecho no necesita fuente de energía, sigue funcionando durante apagones y en entornos polvorientos, húmedos o magnéticamente ruidosos donde la electrónica tiene dificultades.

La física detrás de esto

El muelle real (una cinta enrollada de acero para muelles) o un peso que cae almacena energía mecánica. A medida que se desenrolla o desciende, hace girar la primera rueda del tren de engranajes, una serie de engranajes que cambian la velocidad y el par en cada etapa (un pequeño número de dientes que giran rápido puede accionar, o ser accionado por, un gran número de dientes que giran lentamente — la relación de recuentos de dientes establece la relación de velocidades de rotación). Si se dejara solo, esta energía almacenada simplemente haría girar las ruedas cada vez más rápido hasta que se agotara. El escape lo evita: un brazo oscilante llamado áncora bloquea y libera alternativamente los dientes de una rueda de escape, permitiendo que avance exactamente un diente por oscilación. Cada oscilación del áncora es marcada por un resonador — un péndulo (cuyo período de oscilación depende principalmente de su longitud y de la aceleración gravitatoria) o un volante con un espiral (cuyo período de oscilación depende de su inercia rotacional y de la rigidez del muelle). Debido a que el período de ese resonador es muy estable, el escape distribuye la energía almacenada en "tics" de igual tamaño, y el tren de engranajes convierte el recuento acumulado de tics en el barrido de una manecilla de reloj o la liberación de un mecanismo en un intervalo establecido.

Historia

La medición del tiempo temprana utilizaba métodos no mecánicos — relojes de sol, relojes de agua (clepsidras) en el antiguo Egipto, Grecia y China, y velas o lámparas de aceite graduadas. El primer escape mecánico verdadero, el de rueda catalina y foliot, apareció en los relojes de monasterios y torres europeos alrededor de finales del siglo XIII; no era muy preciso (errores de muchos minutos al día eran normales) pero fue el primer dispositivo en convertir la energía almacenada en tics discretos y contables. En 1656, Christiaan Huygens, basándose en las observaciones anteriores de Galileo sobre el isocronismo del péndulo, construyó el primer reloj de péndulo, y el escape de áncora de Robert Hooke y William Clement (alrededor de la década de 1670) hizo que los relojes de péndulo fueran drásticamente más precisos al reducir la perturbación que el escape impone al balanceo del péndulo. En el siglo XVIII, los cronómetros marinos de John Harrison resolvieron el problema de mantener la hora exacta en un barco en movimiento (esencial para calcular la longitud), utilizando volantes compensados por temperatura en lugar de péndulos, que no funcionan en el mar. El siglo XIX trajo movimientos de reloj de producción masiva y piezas intercambiables (la industria relojera estadounidense, por ejemplo, Waltham y otros), poniendo el cronometraje mecánico al alcance de los hogares comunes.

Versión sencilla

Un movimiento accionado por peso con un escape de rueda catalina y foliot: un peso que cae hace girar un tren de engranajes simple, y una barra transversal (el foliot) con pesos ajustables en los extremos oscila de un lado a otro para regular la velocidad. Es fácil de construir con herramientas manuales pero mantiene una hora imprecisa (errores grandes y sensibles al viento) porque el foliot no es isócrono.

Versión avanzada

Un movimiento accionado por muelle o peso con un escape de áncora y péndulo: el período del péndulo es mucho más estable que el de un foliot, y la geometría del áncora perturba el balanceo del péndulo solo ligeramente, por lo que un ejemplo bien ajustado puede mantener la hora con una precisión de segundos al día.

Versión industrial

Relojes reguladores de precisión y cronómetros marinos: pivotes con joyas para reducir la fricción, péndulos compensados por temperatura (por ejemplo, péndulos de parrilla o de mercurio) o volantes (bimetálicos, compensados por temperatura), y movimientos de producción masiva e intercambiables utilizados en toda la industria para todo, desde relojes de fichar de fábrica hasta temporizadores de procesos mecánicos e interruptores de acción retardada en equipos que debían funcionar sin ningún suministro eléctrico.

Construyendo el tuyo propio

Comienza con un tren de engranajes y un escape simples, comprados o recuperados, en lugar de cortar engranajes desde cero — la precisión del perfil del diente importa más que casi cualquier otra cosa en un temporizador mecánico. Monta las ruedas entre dos placas sólidas (o un único marco estable) con los pivotes alineados y libres para girar sin tambalearse. Ajusta el áncora para que sus dos paletas engranen con la rueda de escape con una pequeña y uniforme "caída" (el pequeño recorrido libre antes de que cada paleta atrape un diente) en ambos lados. Añade el péndulo o el volante al final, y ajusta su longitud efectiva (o sus pesos de equilibrio) para acercar la velocidad a la correcta antes de realizar el ajuste fino.

Errores comunes

• Relaciones de engranajes que no resultan en un número entero de dientes, lo que hace que el mecanismo se atasque o salte
• Un escape con una "caída" desigual en sus dos lados, haciendo que el tic y el tac tengan duraciones desiguales
• Una longitud de péndulo o inercia del volante que no fue realmente calculada o medida, dejando la velocidad al ensayo y error
• Fricción excesiva por pivotes desalineados, suciedad o falta de lubricación, lo que roba la pequeña cantidad de energía que el escape necesita para seguir oscilando
• Dientes de engranaje cortados a mano con un perfil inconsistente, que engranan de forma áspera y se desgastan rápidamente

Cómo medir

Compara el temporizador con un reloj de referencia de precisión conocida durante 24 horas y registra la deriva en segundos por día; ajustar la longitud efectiva de un péndulo (subiendo o bajando la lenteja) o el regulador de un volante cambia la velocidad en una dirección predecible. Para un escape, escucha o filma el tic-tac: un "tic...tac...tic...tac" uniforme y espaciado uniformemente indica una caída equilibrada en ambas paletas, mientras que un ritmo desigual o galopante ("tic-tac...tic-tac") apunta a un problema de ajuste del escape.

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