Escape de ancla

En relojería , el escape de áncora es un tipo de escape utilizado en los relojes de péndulo . El escape es un mecanismo de un reloj mecánico que mantiene la oscilación del péndulo dándole un pequeño empujón en cada oscilación y permite que las ruedas del reloj avancen una cantidad fija con cada oscilación, moviendo las manecillas del reloj hacia adelante. El escape de áncora se llama así porque una de sus partes principales tiene una forma vagamente parecida a la del ancla de un barco.

El escape de ancla fue inventado por el relojero William Clement, ^{[1] [2] [3]} quien popularizó el ancla en su invención del reloj de caja larga o de pie alrededor de 1680. La invención de Clement fue una mejora sustancial del escape de fuerza constante de Robert Hooke de 1671. ^[4] El reloj de ancla más antiguo conocido es el Wadham College Clock , un reloj de torre construido en el Wadham College , Oxford , en 1670, probablemente por el relojero Joseph Knibb . ^{[5] [6]} El ancla se convirtió en el escape estándar utilizado en casi todos los relojes de péndulo.

Una variante más precisa, sin retroceso, llamada escape de péndulo muerto, fue inventada por Richard Towneley alrededor de 1675 e introducida por el relojero británico George Graham alrededor de 1715. Este mecanismo reemplazó gradualmente al escape de áncora común y se utiliza en la mayoría de los relojes de péndulo modernos.

El mecanismo de escape del ancla consta de dos partes: la rueda de escape , que es una rueda vertical con dientes puntiagudos que parecen dientes de sierra , y el ancla , con una forma vagamente parecida a la del ancla de un barco, que oscila hacia adelante y hacia atrás sobre un pivote justo encima de la rueda de escape. En los dos brazos del ancla hay caras curvas contra las que empujan los dientes de la rueda de escape, llamadas paletas . El eje central del ancla está unido a una horquilla empujada por el péndulo , de modo que el ancla oscila hacia adelante y hacia atrás, y las paletas atrapan y liberan alternativamente un diente de la rueda de escape en cada lado.

Cada vez que un palé se aleja de la rueda de escape, liberando un diente, la rueda gira y un diente del otro lado se engancha en el otro palé, que se está moviendo hacia la rueda. El impulso del péndulo continúa moviendo el segundo palé hacia la rueda, empujando la rueda de escape hacia atrás una distancia, hasta que el péndulo invierte la dirección y el palé comienza a alejarse de la rueda, con el diente deslizándose a lo largo de su superficie, empujándola. Luego, el diente se desliza fuera del extremo del palé, comenzando el ciclo nuevamente.

Ni el escape de áncora ni el mecanismo de péndulo, que se muestran a continuación, se ponen en marcha por sí solos. Para que se pongan en marcha, es necesario hacer oscilar el péndulo.

El movimiento hacia atrás de la rueda de escape durante parte del ciclo, llamado retroceso , es una de las desventajas del escape de áncora. Produce una inversión temporal de todo el tren de ruedas de regreso al peso impulsor con cada tictac del reloj, lo que causa un desgaste adicional en el tren de ruedas, un desgaste excesivo de los dientes de los engranajes e inexactitud. También puede hacer que las puntas de los dientes de la rueda de escape se claven en la superficie de las paletas. Los dientes están inclinados hacia atrás, opuestos a la dirección de rotación, y la superficie de las paletas es ligeramente convexa para evitar esto. ^[7]

Otra razón por la que los dientes de la rueda de escape están inclinados hacia atrás es como medida de seguridad. Si se mueve el reloj sin inmovilizar el péndulo, el balanceo incontrolado del péndulo puede provocar que las paletas de anclaje choquen violentamente con la rueda de escape. Los dientes inclinados garantizan que las caras planas de las paletas de anclaje golpeen primero los lados de los dientes, lo que evita que las puntas delicadas se rompan. ^[7]

El escape de áncora (abajo) no tiene retroceso. Una forma de determinar si un reloj de péndulo antiguo tiene un escape de áncora o de áncora es observar el segundero. Si se mueve ligeramente hacia atrás después de cada tictac, lo que indica retroceso, el reloj tiene un escape de áncora.

El eje del ancla, llamado muleta, termina en una horquilla que abraza el eje del péndulo, dándole impulsos transversales. La varilla del péndulo está colgada de un resorte de suspensión corto y recto unido a un soporte resistente directamente detrás del ancla. El pivote del ancla está alineado con el punto de flexión del resorte. Esta disposición da como resultado un soporte de péndulo más estable que simplemente suspender el péndulo directamente del ancla.

El ancla es muy tolerante a las variaciones en su geometría, por lo que su forma variaba ampliamente. ^[7] A finales del siglo XIX, en Gran Bretaña, el diseño habitual ^[7] era un ángulo de 90° entre las paletas, lo que significaba ubicar el pivote del ancla a una distancia de √ 2 ≈ 1,4 veces el radio de la rueda de escape del pivote de la rueda de escape. En un reloj de pie , que tenía un péndulo que oscilaba una vez por segundo, la rueda de escape a menudo tenía 30 dientes, lo que hacía que la rueda de escape girara una vez por minuto para que el segundero pudiera estar unido a su eje. En una rueda de escape de 30 dientes, las paletas abarcan aproximadamente 7½ dientes. El ángulo de impulso de las paletas, que determinaba la oscilación del péndulo, era de 3-4°.

El áncora fue el segundo escape ampliamente utilizado en Europa, reemplazando al primitivo escape de verge de 400 años de antigüedad en los relojes de péndulo . Los péndulos en los relojes con escape de verge tenían oscilaciones muy amplias de 80° a 100°. En 1673, diecisiete años después de que inventara el reloj de péndulo, Christiaan Huygens publicó su análisis matemático de los péndulos, Horologium Oscillatorium . En él demostró que las amplias oscilaciones del péndulo de los relojes de verge causaban que fueran inexactos, porque el período de oscilación del péndulo no era isócrono sino que variaba en un pequeño grado debido al error circular con los cambios en la amplitud de la oscilación del péndulo, que se producían con cambios inevitables en la fuerza motriz. La constatación de que solo las pequeñas oscilaciones del péndulo eran casi isócronas motivó a los relojeros a diseñar escapes con pequeñas oscilaciones.

La principal ventaja del ancla era que al ubicar las paletas más lejos del pivote, la oscilación del péndulo se reducía de alrededor de 100° en los relojes de verticilo a solo 4°-6°. ^[8] Además de la precisión mejorada debido al isocronismo , esto permitió que los relojes usaran péndulos más largos, que tenían un "latido" más lento. La menor resistencia del aire (la resistencia aerodinámica aumenta con el cuadrado de la velocidad, por lo que un péndulo más rápido experimenta una resistencia mucho mayor) significaba que necesitaban menos energía para seguir oscilando y causaban menos desgaste en el movimiento del reloj. El ancla también permitió el uso de un péndulo más pesado para una fuerza de accionamiento dada, lo que hacía que el péndulo fuera más independiente del escape ( Q más alta ) y, por lo tanto, más preciso. Estos péndulos largos requerían cajas de reloj largas y estrechas. Alrededor de 1680, el relojero británico William Clement comenzó a vender los primeros relojes comerciales que usaban el escape de áncora, relojes altos independientes con péndulos de segundos de 1 metro (39 pulgadas) contenidos dentro de una caja de reloj larga y estrecha que llegó a llamarse relojes de caja larga o "de abuelo". ^[9] El áncora aumentó tanto la precisión de los relojes que alrededor de 1680-1690 el uso del minutero , anteriormente la excepción en los relojes, se convirtió en la regla. ^[10]

El escape de áncora sustituyó a la verja en los relojes de péndulo en unos cincuenta años, aunque los relojeros franceses siguieron utilizando verjas hasta alrededor de 1800. Muchos relojes de verja se reconstruyeron con áncoras. En el siglo XVIII, la forma de áncora más precisa del escape sustituyó al áncora en los reguladores de precisión, pero el áncora siguió siendo el caballo de batalla en los relojes de péndulo domésticos. Durante el siglo XIX, la forma de áncora se impuso gradualmente en la mayoría de los relojes de calidad, pero la forma de áncora todavía se utiliza en algunos relojes de péndulo en la actualidad. ^[8]

Los relojes de torre son uno de los pocos tipos de relojes de péndulo en los que no predominaba el escape de áncora. La fuerza variable aplicada al tren de ruedas por las grandes manecillas exteriores, expuestas a cargas de viento, nieve y hielo, se manejaba mejor con escapes de gravedad .

El escape de áncora es fiable y tolerante a grandes errores geométricos en su construcción, pero su funcionamiento es similar al antiguo escape de verga , y conserva dos de las principales desventajas del verga:

• Se trata de un mecanismo de escape por fricción ; el péndulo siempre es empujado por un diente de la rueda de escape durante todo su ciclo, y nunca se le permite oscilar libremente. Esto hace que la velocidad del reloj sea sensible a los cambios en la fuerza de accionamiento. Cualquier pequeño cambio en la fuerza aplicada a las paletas, por ejemplo, por un cambio en la lubricación debido al envejecimiento del aceite, o la fuerza decreciente del resorte principal de un reloj a medida que se agota, cambiará el período de oscilación del péndulo. Los relojes con escape de áncora impulsados ​​por un resorte principal necesitaban un caracol para equilibrar la fuerza del resorte principal.
• Como ya se ha dicho, se trata de un mecanismo de escape por retroceso ; el impulso del péndulo empuja la rueda de escape hacia atrás durante parte del ciclo. Esto provoca un desgaste adicional del movimiento y aplica una fuerza variable al péndulo, lo que provoca imprecisiones.

Las dos desventajas anteriores se eliminaron con la invención de una versión mejorada del escape de áncora: el escape de Graham o de áncora muerta . A menudo se le atribuye erróneamente al relojero inglés George Graham, quien lo introdujo alrededor de 1715 en sus relojes reguladores de precisión. ^{[11] [12] [13] [14]} Sin embargo, en realidad fue inventado alrededor de 1675 por el astrónomo Richard Towneley , y utilizado por primera vez por el mentor de Graham, Thomas Tompion, en un reloj construido para Sir Jonas Moore , y en los dos reguladores de precisión que hizo para el nuevo Observatorio de Greenwich en 1676, ^[15] mencionado en la correspondencia entre el astrónomo real John Flamsteed y Towneley. ^{[16] [17]}

La forma de áncora del escape de áncora es menos tolerante a la imprecisión en su fabricación o al desgaste durante el funcionamiento y se utilizó inicialmente solo en relojes de precisión, pero su uso se extendió durante el siglo XIX a la mayoría de los relojes de péndulo de calidad. Casi todos los relojes de péndulo que se fabrican en la actualidad lo utilizan.

El escape de péndulo muerto tiene dos caras en las paletas: una cara de "bloqueo" o "muerta", con una superficie curva concéntrica con el eje sobre el que gira el ancla, y una cara de "impulso" inclinada. ^[8] Cuando un diente de la rueda de escape se apoya contra una de las caras muertas, su fuerza se dirige a través del eje de pivote del ancla, por lo que no da impulso al péndulo, lo que le permite oscilar libremente. Cuando la paleta del otro lado libera la rueda de escape, un diente aterriza primero en esta cara "muerta" y permanece apoyado contra ella durante la mayor parte del movimiento de ida y vuelta del péndulo. Durante este período, la rueda de escape está "bloqueada" y no puede girar. Cerca del final del movimiento del péndulo, el diente se desliza desde la cara muerta hacia la cara de "impulso" inclinada de la paleta, lo que permite que la rueda de escape gire y dé un empujón al péndulo, antes de caerse de la paleta. Sigue siendo un escape de reposo por fricción porque el deslizamiento del diente de escape en la cara muerta agrega fricción al giro del péndulo, pero tiene menos fricción que el escape de retroceso porque no hay fuerza de retroceso.

A diferencia de la inclinación hacia atrás de los dientes de la rueda de escape de anclaje, los dientes de la rueda de escape muerto son radiales o inclinados hacia adelante para asegurar que el diente haga contacto con la cara "muerta" de la paleta, evitando el retroceso. ^[8]

Los relojeros descubrieron en el siglo XVIII que, para lograr precisión, el mejor lugar para aplicar el impulso para mantener el péndulo oscilando era en la parte inferior de su oscilación, cuando pasa por su posición de equilibrio. Si el impulso se aplica durante la fase descendente del péndulo, antes de que llegue al fondo, la fuerza del impulso tiende a disminuir el período de oscilación, por lo que un aumento en la fuerza de accionamiento hace que el reloj se atrase. Si el impulso se aplica durante la fase ascendente del péndulo, después de que llegue al fondo, la fuerza del impulso tiende a aumentar el período de oscilación, por lo que un aumento en la fuerza de accionamiento hace que el reloj se atrase. Si el impulso se aplica en la parte inferior, los cambios en la fuerza del impulso teóricamente no deberían tener efecto en el período.

En 1826, el astrónomo británico George Airy demostró esto; específicamente, demostró que un péndulo que es impulsado por un impulso de accionamiento que es simétrico respecto de su posición de equilibrio inferior es isócrono para diferentes fuerzas de accionamiento, ignorando la fricción, y que el escape muerto satisface aproximadamente esta condición. ^{[18] [19]} Se cumpliría exactamente si los dientes de la rueda de escape cayeran exactamente en la esquina entre las dos caras de las paletas, pero para que el escape funcione de manera confiable, los dientes deben caer por encima de la esquina, en la cara "muerta". ^[20]

Una de las principales causas de error en los relojes son los cambios en la fuerza de accionamiento aplicada al escape, causados ​​por pequeños cambios en la fricción de los engranajes o las paletas, o la fuerza decreciente del resorte principal a medida que se desenrolla. Un escape en el que los cambios en la fuerza de accionamiento no afectan la velocidad se llama isócrono. El rendimiento superior del mecanismo de retroceso se debe a un isocronismo mejorado. Esto se debe a las diferentes formas en que los cambios en la fuerza de accionamiento afectan la oscilación del péndulo en los dos escapes: ^[21]

• En el escape de áncora , un aumento de la fuerza de accionamiento hace que el péndulo oscile hacia atrás y hacia adelante más rápidamente, pero no aumenta mucho la amplitud del péndulo , la longitud de su oscilación. La mayor fuerza del diente de la rueda de escape sobre la paleta durante la parte de retroceso del ciclo tiende a disminuir la oscilación del péndulo, mientras que la fuerza del diente durante la parte de impulso hacia adelante del ciclo tiende a aumentar la oscilación del péndulo. Estos tienden a cancelarse entre sí, dejando la oscilación sin cambios. Pero ambos efectos disminuyen el tiempo de oscilación. En otras palabras, el aumento de la fuerza golpea el péndulo hacia atrás y hacia adelante en un arco fijo más rápido.
• En el escape de péndulo muerto , no hay retroceso y la mayor fuerza de accionamiento hace que el péndulo oscile en un arco más amplio y se mueva más rápido. El tiempo necesario para cubrir la distancia adicional compensa exactamente la mayor velocidad del péndulo, dejando el período de oscilación sin cambios. Sin embargo, la oscilación más amplia provoca un ligero aumento en el período debido al error circular . Para los relojes domésticos, este efecto es insignificante, pero es una limitación en la precisión que se puede lograr con los relojes reguladores de precisión con escapes de péndulo muerto.

Cuando se inventó el mecanismo de péndulo muerto, los relojeros creyeron inicialmente que tenía un isocronismo inferior al del áncora, debido al mayor efecto de los cambios de fuerza en la amplitud del péndulo. ^[21] Análisis recientes señalan que el no isocronismo del mecanismo de péndulo puede cancelar el error circular del péndulo. Es decir, un aumento en la amplitud de oscilación del áncora provoca un ligero aumento en el período de un péndulo debido al error circular , y que esto puede compensar la disminución del período debido al isocronismo. Debido a este efecto, un mecanismo de áncora cuidadosamente ajustado con paletas pulidas podría ser más preciso que un mecanismo de péndulo muerto. ^[22] Esto ha sido confirmado por al menos un experimento moderno. ^{[23] [24]}

• Escape de palanca

• Headrick, Michael (2002). "Origen y evolución del escape del reloj de ancla". Revista Control Systems . 22 (2). Inst. de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. Archivado desde el original el 25 de octubre de 2009. Consultado el 6 de junio de 2007 .- enlace muerto
• Glasgow, David (1885). Fabricación de relojes. Londres: Cassel & Co., pág. 293.en Google Books. Detalles de construcción.