¿Cuál es el principio de un reloj de péndulo?

¿Has visto alguna vez la estructura interna de grandes relojes y pequeños despertadores mecánicos? Después de mirar todos los engranajes y resortes, ¿alguna vez has pensado: "Vaya, eso es tan complicado?" Si bien los relojes suelen ser muy complicados, no tienes por qué sentirte confundido o incrédulo. De hecho, cuando se comprende el principio de funcionamiento de los relojes, se puede imaginar cómo los diseñadores de relojes enfrentan y resuelven una gran cantidad de problemas interesantes y diseñan equipos de cronometraje precisos. Este artículo le ayudará a comprender qué hace funcionar un reloj, para que comprenda todo la próxima vez que vea las partes internas de un reloj.

Veamos primero las diferentes partes de un reloj de péndulo.

A partir de 1656, la gente empezó a utilizar relojes de péndulo para decir la hora, pero el desarrollo de los relojes de péndulo ha cambiado poco desde entonces. El reloj de péndulo fue el primer reloj que tuvo cierto grado de precisión. Si miras un reloj de péndulo desde fuera, notarás que hay varias partes que son importantes para todos los mecanismos de reloj: la esfera del reloj, las manecillas de las horas y los minutos (y, a veces, incluso la esfera de las "fases lunares").

Tiene uno o más martillos de reloj (si el reloj es más moderno, habrá un ojo de cerradura para darle cuerda; este artículo continúa usando el reloj impulsado por martillo como ejemplo).

Y por supuesto, está el péndulo en sí.

La mayoría de los relojes de pared tienen un péndulo que oscila una vez por segundo. El péndulo del pequeño reloj de cuco oscila dos veces por segundo. El péndulo del Big Ben oscila cada dos segundos. Entonces, ¿cómo funcionan juntos estos componentes para mantener el reloj en funcionamiento y la hora exacta? Primero, echemos un vistazo al martillo de campana.

El martillo de reloj funciona como un dispositivo de almacenamiento de energía, por lo que el reloj puede funcionar sin supervisión durante un tiempo relativamente largo. Al darle cuerda a un reloj impulsado por un martillo, puede apretar la cuerda y levantar el martillo. Esto le dará al martillo energía potencial bajo la acción del campo de gravedad terrestre. Como veremos más adelante, el reloj utiliza la energía potencial del martillo cuando cae para accionar el mecanismo.

Por ejemplo, queremos utilizar un peso que cae para diseñar el reloj más simple: un reloj con solo un segundero. Queremos agregar un segundero a este reloj simple para que se comporte como un segundero normal en cualquier reloj, girando cada 60 segundos. Podemos probar el diseño que se muestra a la derecha, simplemente conecte la cuerda del martillo al tambor y luego conecte el segundero al tambor. Por supuesto, esto no es posible. En este mecanismo simple, soltar el martillo hará que caiga rápidamente, lo que hará que el tambor gire a aproximadamente 1000 rpm hasta que el martillo golpee el suelo.

Pero avanzará en la dirección correcta. Por ejemplo, colocamos algún tipo de dispositivo de fricción en el tambor: algún tipo de forro de freno o algo que frena el tambor. Esto será útil. Por supuesto, podemos diseñar una solución basada en la fricción para hacer que el segundero gire una vez por minuto. Pero esto sólo puede ser una aproximación. A medida que cambian la temperatura y la humedad del aire, cambia la fricción del dispositivo. Por lo tanto, el segundero no mantendrá una precisión muy buena.

Allá por el siglo XVII, las personas que querían hacer relojes precisos intentaban descubrir cómo hacer que los segundos giraran una vez por minuto. Se cree que el astrónomo holandés Christian Huygens fue el primero en utilizar un péndulo simple. Esto es útil porque el péndulo tiene una propiedad interesante: el período del péndulo (el tiempo que tarda el péndulo en oscilar hacia adelante y hacia atrás una vez) depende sólo de la longitud del péndulo y de la gravedad. Debido a que la fuerza de gravedad en cualquier punto dado de la Tierra es constante, sólo la longitud del péndulo afecta el período de movimiento del péndulo. El peso no es un problema, ni tampoco la longitud del arco de la varilla oscilante. Sólo la longitud de la varilla oscilante es el factor decisivo. Si no me crees, ¡puedes probar el experimento de la página siguiente!

Como dijimos en la página anterior, el único factor que afecta el período de un péndulo es la longitud del péndulo. Puedes probar este hecho con el siguiente experimento. Para hacer este experimento, necesitas preparar:

Un martillo de reloj, cuerdas, un reloj, un reloj con segundero (o un reloj digital con segundero digital).

Puedes utilizar cualquier cosa como martillo. Si es necesario, una taza de café o un libro servirán, no importa. Ata la cuerda al martillo de campana. Luego cuelgue el péndulo en el borde de la mesa de modo que la longitud del péndulo sea de aproximadamente 61 cm, como se muestra en la siguiente imagen:

Ahora tire del martillo hacia atrás unos 30 cm y deje que el péndulo oscile. Cuente durante 30 o 60 segundos y cuente el número de veces que el péndulo oscila hacia adelante y hacia atrás. Recuerda el número de cambios. Ahora, detén el péndulo y comienza a oscilar de nuevo, pero esta vez sólo tira hacia atrás unos 15 cm para que oscile formando un arco más pequeño. Cuente también el número de cambios en 30 o 60 segundos. Verá que las estadísticas resultantes son las mismas que las primeras estadísticas. En otras palabras, el arco del péndulo no tiene ningún efecto sobre el período. Sólo importa la longitud de la cuerda del columpio. Si juegas con la longitud de un péndulo, descubrirás que ajustando la longitud del péndulo, puedes hacer que oscile hacia adelante y hacia atrás 60 veces en un minuto completo.

Después de notar este hecho sobre los péndulos, descubrirás que puedes usarlos para diseñar un reloj preciso. El siguiente diagrama muestra cómo diseñar un mecanismo de trinquete de reloj usando un péndulo.

Un dispositivo de trinquete tiene dientes con una forma especial. También hay un péndulo conectado a un dispositivo que engrana con los dientes de un engranaje. La idea básica que se muestra en el diagrama es que una vez que el péndulo oscila hacia adelante y hacia atrás, uno de los dientes del engranaje "se escapa".

Por ejemplo, si el péndulo oscila hacia la izquierda y pasa la posición central que se muestra a la derecha, mientras el péndulo continúa oscilando hacia la izquierda, el componente de frenado izquierdo unido al péndulo soltará un diente del engranaje. . Luego, el engranaje avanzará medio diente y golpeará el elemento de frenado derecho. Cuando se pisan los frenos mientras se avanza, los engranajes emitirán un sonido... los más comunes son "clic" o "pitido". ¡Por eso el tiempo corre!

Una cosa para recordar es que el péndulo nunca deja de oscilar. Entonces, otra función del trinquete es darle al péndulo suficiente energía para superar la fricción y seguir oscilando. Para lograr esta tarea, el ancla (el nombre del mecanismo que conecta el péndulo para liberar los dientes del trinquete uno a la vez) y los dientes del trinquete se diseñan con formas especiales. Si los dientes del engranaje se desenganchan correctamente, el ancla ejercerá un ligero empujón en la dirección adecuada cada vez que el péndulo oscile. El empujón aumenta la cantidad de energía que el péndulo necesita para superar la fricción, lo que le permite seguir oscilando.

De esta manera, has diseñado un dispositivo de trinquete. Si el trinquete tiene 60 dientes, el engranaje se conecta directamente al tambor de martillo mencionado anteriormente y, utilizando un péndulo con un período de un segundo, diseñará con éxito un reloj con un segundero que gire un ciclo por minuto. Si ajustamos la longitud del péndulo con mucho cuidado, podemos diseñar un reloj muy preciso.

Sin embargo, aunque el reloj es preciso, todavía hay dos problemas que lo hacen poco práctico:

La mayoría de la gente quiere un reloj con manecillas de horas y minutos.

Debes contar el reloj cada 20 minutos. Debido a que el martillo del reloj gira una vez por minuto, pronto se aflojará y caerá al suelo. ¡A la mayoría de la gente no le gusta rebobinar cada 20 minutos!

Entonces, ¿cómo solucionar el problema de la liquidación? Por favor sigue leyendo. ...

El problema del rebobinado de 20 minutos se soluciona fácilmente. Como se analizó en Principios de relación de engranajes, se puede diseñar un tren de engranajes de relación alta de modo que el tambor de engranajes gire una vez cada 6 a 12 horas. De esta manera, tendrás un reloj al que solo tendrás que darle cuerda aproximadamente una vez por semana. La relación de transmisión entre el tambor del martillo y la rueda de trinquete puede ser 500:1, como se muestra en la siguiente figura:

En la figura, el número de dientes de la rueda de trinquete es 120, el período de la El péndulo es de medio segundo y el segundero está conectado directamente a la rueda de trinquete. La relación de transmisión de cada engranaje en el tren de engranajes de martillo de reloj es 8:1, por lo que la relación de transmisión de todo el tren de engranajes es 492:1.

Se puede ver que si el propio trinquete acciona otro tren de engranajes con una relación de transmisión de 60:1, entonces el minutero se puede montar en el último engranaje del tren de engranajes. El tren de engranajes final, con una relación de 12:1, acciona la manecilla de las horas. ¡En un instante tienes un reloj!

Aunque este reloj está bien ahora, hay dos problemas:

Las manecillas de las horas, los minutos y los segundos están en ejes diferentes.

Este problema generalmente se resuelve usando un eje hueco en los engranajes, y luego el tren de engranajes se dispone de manera que los engranajes que mueven las manecillas de las horas, los minutos y los segundos usen el mismo eje. Los ejes huecos del engranaje están alineados entre sí. Si miras de cerca cualquier esfera de reloj, puedes ver esta disposición.

Dado que todos estos engranajes están conectados directamente entre sí, no es fácil rebobinar o configurar el reloj. Este problema normalmente se soluciona teniendo un engranaje que se deslice fuera del tren de engranajes. En realidad, este método se utiliza cuando sacas la perilla de tu reloj para configurar la hora. En la imagen de arriba, puedes imaginarte sacando temporalmente el piñón negro para darle cuerda al resorte real o ajustar el reloj.

Como ves, aunque todos los engranajes del reloj hacen que parezca complicado, el principio de funcionamiento de un reloj de péndulo es muy sencillo. Se divide en cinco partes básicas:

El martillo o resorte: proporciona la energía para mover las manecillas del reloj.

Tren de engranajes de bloque y martillo: un tren de engranajes de alta relación de transmisión puede hacer que el reloj, el martillo y el tambor aceleren, eliminando la necesidad de rebobinar con frecuencia el mecanismo de relojería.

Dispositivo de trinquete: compuesto por un péndulo, un ancla y un trinquete. El dispositivo de trinquete puede ajustar con precisión la velocidad a la que el martillo libera energía.

Tren de engranajes del puntero: el tren de engranajes del puntero se puede reducir para que el minutero y el reloj puedan funcionar a la velocidad correcta.

Mecanismo de ajuste de las manecillas: este mecanismo separa, desliza o mueve gradualmente el tren de engranajes para que se pueda rebobinar el reloj y ajustar las manecillas.

Después de comprender estos componentes, ¡es fácil comprender el principio de funcionamiento del reloj!

La gestión de despertadores mecánicos tiene una larga historia, pero es interesante explorarla. Para obtener más información sobre relojes comunes, consulte el artículo titulado "Cómo funciona un reloj de péndulo". La siguiente imagen es el despertador que vamos a desmontar ahora:

Retire la manija y la tapa trasera del resorte, y la estructura interna del despertador quedará revelada frente a nosotros:

Retiramos las patas, el despertador, las manecillas, el panel, el anillo de fijación del borde y finalmente el sistema mecánico del despertador.

Este despertador (como la mayoría de los relojes de escritorio) utiliza un volante en lugar de un péndulo. El volante y su resorte se encuentran en la base del despertador. En la imagen de arriba, el resorte real del despertador está en la esquina superior derecha. El resorte de la izquierda se utiliza para accionar el despertador. Tiene su propio tren de engranajes y escape.

La siguiente imagen muestra la parte frontal del sistema mecánico. El puntero está montado sobre un eje concéntrico en el centro.

Desde un lado, se puede ver cómo engranajes de diferentes tamaños se entrelazan en un sistema mecánico.

La imagen de abajo es el primer plano de un volante, cuya potencia se transmite a través de unos engranajes.

Este despertador parece complicado, pero en realidad sólo tiene una docena de piezas móviles. Hay cuatro engranajes entre el resorte real y la rueda de escape. El contraeje de la cuarta marcha acciona el segundero. Otras partes incluyen la rueda de escape, el eje de soporte, el volante y el resorte real. * * * Hay cuatro marchas para accionar la manecilla de las horas, la manecilla de los minutos y la manecilla de la alarma. Además, hay dos martillos accionados por engranajes, uno de los cuales también sirve como rueda de escape.