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 Relojes y cronómetros (I): la conexión astronómica.

 Un trabajo de Cesar Tome Lopez 

(De la serie Apparatus. Cuaderno de Cultura Cientifica) 

       Fueron las ambiciones de astrónomos y navegantes, y más tarde de los físicos, las que impulsaron muchos de los desarrollos más importantes en la historia de la relojería mecánica, eléctrica y electrónica. Estos desarrollos han producido algunos de los efectos más notorios y, a la vez, menos reconocidos que la ciencia haya producido en la vida social. Antes de la aparición de los relojes fiables, y aparte de su uso puntual en algunas actividades concretas como los rezos monacales, no existía prácticamente demanda de instrumentos para medir el tiempo que regulasen aspectos de la vida social o laboral. Los relojes crearon las posibilidades de regulación, y su implementación transformaron profundamente la vida social de prácticamente todo el mundo.

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Miniatura del llamado “Libro de oro de Saint Albans” (1380) en la que se representa a Richard de Wallingford señalando su reloj.

       Los primeros relojes mecánicos de los que se tienen registros detallados, comenzando en el siglo XIV, tienen su origen en un entorno astronómico y pueden considerarse más como astrolabios o equatoria con un mecanismo que como aparatos para medir el tiempo propiamente. Ejemplos típicos son el horologium astronomicum de Richard de Wallingford, abad de Saint Albans (Inglaterra), de principios del siglo XIV, o elastrarium del astrónomo Giovanni Dondi, descrito en detalle en el Tractatus astrarii, y que el duque de Milan mandó instalar en su castillo de Pavía (Italia) en 1381. La esfera de algo más de tres metros de diámetro del reloj de Richard tenía el aspecto de un astrolabio, mientras que el astrarium tenía esferas distintas para cada planeta, haciéndose eco del tratamiento que de los mismos hacía Ptolomeo en el Almagesto. Ambos fueron considerados maravillas mecánicas. El astrónomo Johannes Regiomontanus hablaba en su crónica de su visita al astrarium en 1463 de cómo prelados y príncipes venían a verlo como si estuviesen presenciando un milagro.

Tractatus astrarii. Descripción de la esfera de Venus

Tractatus astrarii (c. 1364). Descripción de la esfera de Venus

        También existían conexiones entre la astronomía y los relojes a un nivel más modesto: los fabricantes de astrolabios como Jean Fusoris, a comienzos del siglo XV en Francia, o Georg Hartmann en la Alemania del XVI también fabricaban relojes, y relojeros famosos como Joost Bürgi en Praga o Girolamo della Volpaia en Florencia construían instrumentos astronómicos (en el caso de Bürgi para Johannes Kepler). El primer director del Observatorio de Greenwich, John Flamsteed, a finales del siglo XVII pidió al relojero más famoso de la época, Thomas Tompion la fabricación de grandes instrumentos astronómicos, mientras que George Graham, asociado en ocasiones con Tompion, diseñó y construyó a comienzos del XVIII una serie de instrumentos que se convirtieron en el equipamiento estándar de los observatorios de Europa. Fue tal la consideración social y profesional que alcanzaron que ambos relojeros están enterrados en la Abadía de Westminster.

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Astronimiae instauratae mechanica (1598). Ilustración del cuadrante mural de Uraniborg

       La representación más famosa de un reloj en conexión con la primera astronomía moderna es una ilustración de Astronimiae instauratae mechanica (1598) de Tycho Brahe en la que se describe el cuadrante mural de Uraniborg. En ella se ve a Brahe y a tres existentes: uno toma la observación, otro toma el tiempo en dos relojes y un tercero anota el resultado. Tycho comenta en el texto que la acompaña que los relojes pocas veces pueden dar el tiempo con una precisión de segundos.

        La necesidad de aumentar la precisión de los relojes se hace perentoria para los astrónomos. Con un instrumento fijado en el meridiano, la mejor orientación para la medición en declinación (la distancia angular de un objeto al ecuador celeste), la medición del tiempo entre la aparición de las estrellas sobre el meridiano sería una medida de la otra coordenada posicional, la ascensión recta (la distancia angular a lo largo del ecuador). Por lo tanto, añadiendo simplemente un reloj fiable lo suficientemente preciso, un solo instrumento podría cubrir todas las necesidades de la astronomía observacional. Este objetivo se convertiría en uno de los principales estímulos en el desarrollo de los relojes.

Relojes y cronómetros (II): péndulos y cicloides

                                                                     Christiaan Huygens

       Antes del siglo XVII ningún reloj mecánico tenía un oscilador natural que controlase su movimiento y, por tanto, su control del tiempo. Usando una serie de engranajes se podía conseguir que una pesa que iba descendiendo moviese las agujas en las esferas, o que activase otros movimientos o representaciones, y con un mecanismo “de escape” el movimiento de vaivén de una barra pivotada o un volante regulador se podía emplear para restringir el movimiento descendente de la pesa; pero el volante no tenía movimiento oscilatorio propio que pudiese regular el conjunto de la maquinaria. El primer dispositivo que consiguió hacerlo fue el péndulo.

                  Reconstrucción del reloj construido por Coster en 1657 siguiendo el diseño de Huygens.

       Galileo ya había diseñado un tipo de péndulo para controlar un reloj, pero fue Christiaan Huygens quien llevó el primer sistema de péndulo a producción comercial: Salomon Coster empezó a fabricar relojes de péndulo según el diseño de Huygens en La Haya en 1657. Huygens publicó su idea en Horologium (1658) y, con mayor extensión, en un clásico de la relojería mecánica Horologium oscillatorium (1673).

                                                                      Regulador foliot

        El reloj de Huygens mantenía el escape foliot (inventando en el siglo XIII), en el que dos paletas unidas a una varilla enganchan y desenganchan alternativamente los dientes en una rueda dentada pero, en vez de unir esta varilla a un regulador, la unía al movimiento de un péndulo suspendido independiente. La energía transmitida por el peso que desciende se usa para mantener el movimiento del péndulo. En el futuro se dedicarían muchos esfuerzos a conseguir que el movimiento del escape interfiriese lo menos posible con la oscilación natural del péndulo.

En Horologium oscillatorium Huygens detecta una posible fuente de error en los relojes de péndulo y propone soluciones. En sus propias palabras:

El péndulo simple no puede ser considerado como una medida del tiempo segura y uniforme, porque las oscilaciones amplias tardan más tiempo que las de menor amplitud; con ayuda de la geometría he encontrado un método, hasta ahora desconocido, de suspender el péndulo; pues he investigado la curvatura de una determinada curva que se presta admirablemente para lograr la deseada uniformidad. Una vez que hube aplicado esta forma de suspensión a los relojes, su marcha se hizo tan pareja y segura, que después de numerosas experiencias sobre la tierra y sobre el agua, es indudable que estos relojes ofrecen la mayor seguridad a la astronomía y a la navegación. La línea mencionada es la misma que describe en el aire un clavo sujeto a una rueda cuando ésta avanza girando; los matemáticos la denominan cicloide, y ha sido cuidadosamente estudiada porque posee muchas otras propiedades; pero yo la he estudiado por su aplicación a la medida del tiempo ya mencionada, que descubrí mientras la estudiaba con interés puramente científico, sin sospechar el resultado.

                                                             Generación de la cicloide

        El periodo de un péndulo que oscila siguiendo un arco de circunferencia cuando está en posición completamente vertical no es del todo independiente de la amplitud de la oscilación. Huygens demostró que la curva completamente isócrona es una cicloide (la linea que traza un punto de una circunferencia si la hacemos rodar siguiendo una línea recta; véase propiedad tautócrona de la cicloide) y además que se podía conseguir que la pesa que se coloca en el extremo del péndulo describiese una cicloide si la cuerda de la que está suspendida se mueve entre, y se ciñe a, dos contornos sólidos que tienen la forma de arcos de cicloide tangentes en su punto de unión (para una explicación gráfica véase péndulo de Huygens).

Construcción geométrica de un péndulo cicloidal.

                                             Construcción geométrica de un péndulo cicloidal.

       Los relojes de Coster incorporan las cicloides de Huygens, alcanzando una precisión de 10 segundos por día, esto es una desviación de solo el 0,01%. Sin embargo la mayoría de los relojeros que continuaron fabricando relojes de péndulo encontraron que era suficiente con mantener las amplitudes pequeñas y dar el impulso al péndulo de la forma más uniforme posible para que las oscilaciones fuesen isócronas. En cualquier caso la astronomía iría servida para más de un siglo con precisión suficiente con el uso y refinamiento de estos desarrollos, en lo que a medida del tiempo se refiere.

Reloj de Huygens. Se aprecia el regulador foliot marcado con las letras K y L. Los cicloides no son visibles ocultos por la placa metática T. El ritmo del péndulo se transmite a través de la unión S al foliot.
Reloj de Huygens. Se aprecia el regulador foliot marcado con las letras K y L. Los cicloides no son visibles ocultos por la placa metática T. El ritmo del péndulo se transmite a través de la unión S al foliot.

       Con Huygens nos encontramos con la segunda mayor influencia en la historia de la relojería: la navegación. Como deja entrever el texto que citamos más arriba, Huygens construyó una versión de su reloj para el mar, e hizo algunos experimentos con él con algo de éxito; pero un péndulo que oscila nunca podrá ser un cronómetro marino fiable.


Relojes y cronómetros (III): el problema de la longitud. 


       El gran problema de la navegación en el siglo XVII era la determinación de la longitud, la posición en un paralelo, en el mar. Este problema se podía solucionar usando relojes. Si un reloj fuese capaz de mantener con precisión la hora de tierra, o de una referencia estándar, las mediciones de la hora local por medios astronómicos permitirían por comparación determinar la longitud. Sin embargo, un reloj de péndulo nunca será un cronómetro marino. Y eso a pesar de los avances que convirtieron al reloj de péndulo en “regulador astronómico”.

                                                      Escape de áncora. | Wikimedia Commons / Chetvorno

         A finales del siglo XVII, posiblemente inventado por Robert Hooke, aparecía el escape de áncora, que se convierte en el estándar en los relojes de péndulo. Tiene un inconveniente: un par de paletas que enganchan y desenganchan sucesivamente los dientes de una rueda de escape provocan en ésta un pequeño retroceso, lo que perjudica a la precisión del mecanismo. Para la segunda década del siglo XVIII se le atribuye a George Graham haber conseguido dar una forma a las paletas y los dientes que hacía que no hubiese retroceso apreciable en la rueda. Fue este escape de Graham junto al péndulo de compensación, también introducido por Graham, el que finalmente hizo al reloj de péndulo lo suficientemente preciso para su uso astronómico.

                                                    Péndulo de compensación de Graham.

         El péndulo de compensación no podía ser más ingenioso. El calor podía hacer que el cable metálico que sujetaba la pesa del péndulo se dilatase, desajustando así el ritmo del péndulo. Graham introdujo en 1721 un bote con mercurio como pesa, dispuesto de tal manera que el mercurio se movía por dilatación en la dirección opuesta al alargamiento del cable cuando subía la temperatura, manteniendo de esta forma el centro de masas en la misma posición respecto al punto de suspensión.

                                                                    H1 de Harrison.

        El premio que ofreció el gobierno británico en 1714, 20.000 libras esterlinas a quien propusiese un método que permitiese la determinación de la longitud con una precisión de medio grado en un viaje trasatlántico, estimuló sobremanera el ingenio y las aplicaciones relojeras. John Harrison envió su primer reloj marino (H1) en 1736 para las pruebas en el mar. El diseño preliminar lo había mostrado al astrónomo Edmund Halley, quien consultó con Graham; éste financiaría la construcción, impresionado por las ideas de Harrison. Harrison recibiría ayudas públicas para el desarrollo de cronómetros marinos durante 25 años; en este tiempo solo produciría tres relojes más.

                                             Escape saltamontes | Wikimedia Commons / Roland zh

       Harrison incorporó varios inventos propios al H1, como el escape saltamontes, desarrollado a partir del de áncora pero empleando lignum vitae, una madera que hace que no sea necesaria la lubricación y que permite que el escape no tenga fricción a efectos prácticos. Finalmente el cuarto diseño de Harrison, el H4, superó satisfactoriamente todas las pruebas. El H4 era además un reloj compacto, del tamaño de un reloj de bolsillo grande, donde la energía y la regulación parten de un muelle en espiral.

                                                                        H4 de Harrison.

       Harrison también aportó avances a la técnica relojera del péndulo evitando el engorroso uso del mercurio. Para ello empleaba barras de distintos metales dispuestas de tal manera (gridiron) que la dilatación se compensaba. Pierre le Roy, también constructor de cronómetros, amplió la idea del uso de metales con diferentes coeficientes de dilatación a los brazos del volante regulador.

Péndulo de compensación de Harrison. A) Exterior; B) temperatura normal; C) Temperatura alta. Los metales verde y amarillo tienen distinto coeficiente de dilatación.

        En un reloj que emplea un muelle espiral el principal efecto de las variaciones de temperatura se da precisamente en el muelle, ya que cambia su elasticidad. Harrison había usado una banda bimetálica para alterar la longitud efectiva del muelle. Otros fabricantes de cronómetros, como John Arnold y Thomas Earnshaw prefirieron emplear volantes reguladores con brazos bimetálicos, alterando así el momento de inercia y, por tanto, el periodo del volante con la temperatura de manera que compensase los cambios en el muelle.

       A comienzos del XIX el cronómetro marino ya tiene un diseño estandarizado, aunque aún se seguiría trabajando en mejorar la forma del muelle para garantizar un movimiento isócrono, y en los diseños de los reguladores para mejorar la compensación.

Relojes y cronómetros (y IV): electricidad y átomos. 

        Tras la consolidación del diseño de los cronómetros marinos, los relojes siguen durante el siglo XIX un rápido desarrollo conforme se incorporan mayores conocimientos físicos en su diseño. De las necesidades de la navegación surge precisamente el escape de fuerza constante a partir de la energía acumulada en un muelle. Los péndulos de hierro y zinc surgen también en esta época. Y en 1895 Charles-Édouard Guillaume, director del Oficina Internacional de Pesos y Medidas, produce un acero al níquel, invar, con un coeficiente de expansión nulo, lo que se ajusta magníficamente a los sistemas de compensación térmica de los relojes (por este hallazgo recibiría Guillaume el premio Nobel de física en 1920).

Reloj de Riefler
Reloj de Riefler

        El último año del siglo ve el nacimiento del desarrollo que marcaría una época en custiones de precisión en la medida del tiempo: la invención del escape Riefler. Sigmund Riefler inventa un sistema por el cual el impulso al péndulo llega a través del muelle del que está suspendido, eliminando la fricción a efectos prácticos. Tras esto Riefler instala sus péndulos de “mercurio en acero” en vasijas a presión constante, consiguiendo precisiones de varios segundos al año. El primer estándar de tiempo de Estados Unidos lo marcó un reloj Riefler desde 1904 a 1929. Los relojes puramente mecánicos no podían conseguir mucha más precisión.

       Desde 1840 hubo intentos serios de aplicar la electricidad al mecanismo de un reloj, ya fuese para mantener el movimiento del péndulo usando la fuerza electromotriz o mandando corrientes que sirviesen como señales a relojes distantes (relojes esclavos) para sincronizarlos con un reloj principal. Fueron pioneros en este campo Alexander Bain y Charles Wheatstone en el Reino Unido y Matthäus Hipp en Suiza.

Reloj de Shepherd en la puerta de acceso al Observatorio de Greenwich (Reino Unido)
                   Reloj de Shepherd en la puerta de acceso al Observatorio de Greenwich (Reino Unido)

       Hubo un reloj que marcó un hito histórico por varios motivos: el reloj galvano-magnético que suministró Charles Shepherd al Real Oberservatorio en Greenwich (Reino Unido) en 1852. Un reloj principal en el interior del observatorio gobernaba el funcionamiento de toda una serie de relojes esclavos en todo el observatorio, incluida la puerta de entrada, y más allá, ya que las líneas telegráficas que acompañaban al ferrocarril llevaban la señal de Greenwich a buena parte del territorio, marcando así la hora nacional en función de las mediciones del observatorio.

                      Reloj de Shortt. El péndulo principal está en la cámara de vacío de la izquierda.

        La combinación de la mejor mecánica con las señales eléctricas podía conseguir una precisión de un segundo al año (una precisión que solo los mejores relojes de cuarzo pueden superar), como demostraría William Hamilton Shortt en 1920. Shortt empleaba dos relojes: en el principal un péndulo se movía en una cámara de vacío libre de interferencias mecánicas del mecanismo. Su cadencia se transmitía electromagnéticamente al péndulo de otro reloj que accionaba el mecanismo que marcaba la hora. Los relojes de Shortt fueron el estándar internacional, excepto en Estados Unidos, para la determinación del tiempo desde mediados de los años veinte hasta finales de los cuarenta. Los relojes de Shortt tenían una precisión suficiente como para determinar variaciones en el periodo de rotación de la Tierra, y es que eran más precisos que la propia Tierra.

Los cuatro osciladores del primer reloj de cuarzo que marcó el estándar de tiempo en los Estados Unidos.
Los cuatro osciladores del primer reloj de cuarzo que marcó el estándar de tiempo en los Estados Unidos.

       En los años ochenta del siglo XIX los hermanos Pierre y Jacques-Paul Curie descubrieron que las vibraciones elásticas de los cristales de cuarzo están acompañadas por pequeños potenciales eléctricos. Estos potenciales pueden ser amplificados y mantenidos y usarse para controlar circuitos unidos a contadores o esferas. Warren Marrison y J.W. Horton de los Laboratorios Bell Telephone usaron un cristal de cuarzo para el control del tiempo por primera vez en 1927. En 1929 cuatro osciladores de cuarzo mantenidos en hornos a temperatura constante se convirtieron en el estándar horario en Estados Unidos, con una precisión de 3 segundos al año (peor que los péndulos Shortt).

                                        Primer reloj atómico de Jack Parry y Louis Essen (1955)

        Si bien los relojes de cuarzo prometían incrementar la precisión de los relojes mecánicos 10 veces, las oscilaciones a nivel atómico ofrecían una precisión aún mayor. Los trabajos en este sentido fueron liderados por Louis Essen y Jack Parry, del Laboratorio Físico Nacional del Reino Unido, que empezó a producir diseños de relojes basados en oscilaciones en átomos de cesio inducidas por campos magnéticos. Para 1959 se habían conseguido precisiones de un segundo en mil años, mejores que las mejores mediciones astronómicas.

       Los relojes comenzaron su andadura siguiendo la regulación impuesta por la astronomía. Se han convertido en instrumentos tan precisos que han dado una nueva definición de tiempo independiente del Sol y del resto de las estrellas.

 

 Un trabajo de Cesar Tome Lopez divulgador científico

Ldo. en CC. Químicas. Máster en Neurociencia y biología del comportamiento.

Aficionado a la filosofía, la historia y a la teología comparada.

(De la serie Apparatus. Cuaderno de Cultura Cientifica) 

¡Saludos! Maria Ysabel

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