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.
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
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)
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.
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)
Christiaan Huygens
Reconstrucción del reloj construido por Coster en 1657 siguiendo el diseño de Huygens.
Regulador foliot
Generación de la cicloide
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