Mecánica .

La medición del paso del tiempo .

Historia y desarrollo de los mecanismos del reloj .

 


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Desde la prehistoria el hombre midió el tiempo. Erigió columnas de piedra de modo que cuando un astro coincidiera con su alineación, señalase un momento o fecha importante. Los antiguos obeliscos egipcios eran pilares cuya sombra se desplazaba a medida que transcurría el día y marcaba las horas entre el amanecer y la caída del sol.

El siguiente adelanto en la medición del tiempo fue la creación de relojes con movimiento propio, que no dependían del o de los cuerpos celestes. Los babilonios, los egipcios, los chinos y los hindúes utilizaron el agua contenida en un recipiente graduado, del que se escapaba, y hacía descender su nivel. El nivel del agua coincidía con una escala marcada en el recipiente que señalaba las horas. Otro tipo de reloj de flujo es el de arena, que data de hace aproximadamente 500 años. La arena cae de un compartimiento superior a uno inferior a través de un estrecho cuello. Cuando ha caído totalmente se invierte el reloj y el procedimiento recomienza. Se debe conocer el lapso que tarda en completarse el ciclo. Otro método utilizado para medir el tiempo fue la velocidad con que una sustancia se consumía o quemaba. El más conocido de estos relojes estuvo constituido por la vela graduada, aunque se utilizaban también cuerdas con nudos y lámparas de aceite con depósitos graduados.

Los relojes mecánicos, con manecillas que avanzan lentamente por la acción de engranajes, aparecieron hace varios siglos. Se conserva el reloj fabricado en 1364 para el palacio de Carlos V, en París. En estos primitivos relojes el movimiento se originaba por un peso colgante que impulsaba una rueda dentada o árbol de volante cuyos dientes estaban dispuestos en forma perpendicular al diámetro de la misma. Dos láminas llamadas “paletas” , dispuestas sobre un eje horizontal que oscilaba, engranaban en los dientes del árbol del volante y regulaban su movimiento. Este fue el primer sistema de escape empleado en los relojes, del mismo modo que la pesa constituyó el primer sistema motriz. Falta aún que hagamos referencia al tercer sistema o parte esencial de un reloj, el oscilador, que controla los movimientos de escape. En el primitivo reloj que describimos, esta función estaba a cargo de una palanqueta fijada en el extremo del eje de escape (aquel con las dos láminas), que oscilaba merced al impulso que ejercían los dientes del árbol de volante. La duración de la oscilación, y por ende del escape, era regulada mediante una pesa deslizante fija a la palanqueta. Estos relojes resultaban inseguros debido a sus primitivos mecanismos de escape y oscilación.

Distintas partes del mecanismo de un reloj de péndulo y su funcionamiento.

Hasta el siglo XV no sobrevinieron cambios en cuanto a la fuente de energía empleada, pues siguió siendo la pesa. En ese siglo apareció el resorte espiral que dio nuevo impulso a la relojería y permitió la invención de los relojes portátiles. La evolución prosiguió en el siglo XIX, con la difusión de la electricidad y su aplicación en tecnología. El movimiento de escape por laminillas fue reemplazado en el siglo XIX, cuando fue sustituido por una pieza con forma de pinza cuyos brazos engranaban alternativamente en el árbol de volante. En cuanto al perfeccionamiento del oscilador, como Galileo había demostrado que el péndulo tenía una duración de oscilación más o menos constante, esto permitió que fuera incorporado a los relojes en reemplazo de la palanqueta. El péndulo continuó su desarrollo y perfeccionamiento hasta 1920, cuando el doctor C. E. Guillaume descubrió el invar, metal prácticamente insensible a la temperatura que permitió la fabricación de péndulos casi perfectos, pues no variaban su frecuencia de oscilación por influencia del ambiente exterior. En lugar de un péndulo ( incapaz de ser incorporado en un reloj portátil ) puede utilizarse como oscilador una rueda balancín y un finísimo resorte espiral. Esta innovación introducida por Huygens en 1675 y la invención del escape de palanca, debida a Thomas Mudge, en el siglo XIX, determinaron la evolución del reloj portátil que había sido inventado por Peter Hanlein, alrededor del año 1500. Desde los “huevos de Nuremberg”, como se llamaba a los medidores de tiempo de Hanlein, hasta los modernos relojes de pulsera fabricados en serie, sumergibles en el agua, resistentes a los golpes, no afectables por el magnetismo y que se dan cuerda automáticamente, han pasado 450 años de estudios y experiencias. Hoy, los medidores mecánicos de tiempo afrontan la rivalidad de los medidores eléctricos y electrónicos. Alexander Bain realizó, durante la década de 1840, en Gran Bretaña, gran parte del trabajo de investigación relacionado con relojes que funcionaban merced a un sistema eléctrico. Este método demostró ser capaz tanto de proveer fuerza impulsora al mecanismo de un reloj, como de sincronizar diversos relojes secundarios a uno “maestro”. Algunos relojes eléctricos son esencialmente mecánicos, pero poseen un motor eléctrico que eleva la pesa impulsora, o enrolla el resorte espiral, a intervalos regulares. Otros relojes eléctricos poseen péndulos que oscilan gracias a impulsos provenientes de electromagnetos. En 1957 se introdujeron los primeros relojes de pulsera electrónicos. Impulsados por minúsculas pilas secas, que mediante electromagnetos hacen oscilar la rueda balancín, no necesitan del mecanismo de cuerda. Algunos utilizan un diapasón en reemplazo del balancín, que vibra por la acción de los electromagnetos. Como la oscilación dura menos, el reloj es más preciso. Aun se obtiene mayor exactitud si se emplean cristales piezoeléctricos de cuarzo, en vez de un diapasón, pues su frecuencia de oscilación es mucho mayor.

Si dejamos de considerar las posibilidades técnicas de los relojes de pulsera, debemos decir que se puede obtener un mayor grado de precisión por medio del reloj atómico. Los mismos tienen su fundamento en la frecuencia de oscilación de los átomos de cesio .

EL PÉNDULO .

Nombre dado a todo cuerpo rígido que suspendido de un eje horizontal fijo, está sometido a la acción de su peso, es decir de la gravedad, y puede realizar un movimiento de balanceo por debajo de su punto de suspensión. A tal dispositivo se lo llama péndulo compuesto. Se facilita su estudio si se considera que se trata de una pequeña esferita, o de una pesa en forma de lenteja, suspendida de un hilo cuyo peso es despreciable en comparación con el de la esferita, y el radio de ésta muy pequeño comparado con la longitud del hilo. Este péndulo, denominado simple, ideal o matemático, se define con más rigor como un punto material pesado, suspendido de un hilo inextensible y sin masa.
La longitud del péndulo es la del hilo, que en la práctica representa la distancia entre el punto de suspensión y el centro de la pequeña esferita, o centro de gravedad de la misma. Su período de oscilación es el tiempo empleado por el péndulo para completar un ciclo completo de movimiento, es decir, entre la partida de una posición extrema y su retorno a la misma. Además se llama amplitud del movimiento pendular al valor máximo del ángulo formado por la vertical que pasa por el centro de suspensión y la posición extrema del péndulo.
El movimiento pendular obedece a las siguientes leyes, establecidas por Galileo:

· Ley de isocronismo: En un mismo péndulo el tiempo de oscilación no depende de la amplitud, en efecto, si se mide con un reloj cronómetro el tiempo de una oscilación cuando la amplitud es pequeña, 50 ó 60 y después cuando es mayor, 100 ó 150, se comprueba que se obtiene el mismo resultado.

· Ley de las masas: El tiempo de oscilación no depende de la masa pendular. En efecto, si se toman dos péndulos de igual longitud, uno de hierro y otro de madera , se observará que tardan en oscilar el mismo tiempo.

· Ley de las longitudes: El tiempo de oscilación de un péndulo es proporcional a la raíz cuadrada de la longitud. Si la longitud de un péndulo se hace 4 veces mayor, el tiempo se duplica, pues 2 es la raíz cuadrada de 4.

Los péndulos se usan para la medición del tiempo, en los relojes; para determinar la aceleración de la gravedad, por medio de la fórmula del péndulo que expresa:

en la que T es el período de oscilación del péndulo; l Su longitud; g: la aceleración de la gravedad, y π (letra griega que corresponde a nuestra p) el valor inconmensurable de la relación de la circunferencia al diámetro, que aproximadamente es igual a 3,14. El péndulo también sirve para comprobar el movimiento de rotación de la tierra, El físico francés León Foucault (1819 ?1898) comprobó, en 1851, la rotación terrestre con un enorme péndulo suspendido de la cúpula del Panteón de París.
El período de oscilación de un péndulo de metal, y su longitud, son afectados por las variaciones de temperatura puesto que ésta provoca la dilatación o el encogimiento de la varilla que sostiene el peso. Esto se corrige empleando metales no dilatables, o bien utilizando varillas de metales diferentes y dispuestas de manera tal que las variaciones de longitud se compensen mutuamente y no alteren por ello la longitud del péndulo.

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Relojes de arena usados por los chinos para medir el tiempo.

El cronómetro Harrison era usado por los marinos ingleses a mediados del Siglo XVIII . De gran precisión .

Un dispositivo llamado escape se usa en todo mecanismo de relojería para controlar los engranajes . El escape de borde se usó hasta fines de 1800 . Entonces se inventó el escape de áncora . Galileo fue el primero en demostrar que el péndulo puede controlar el movimiento de escape .

Partes esenciales de un reloj mecánico moderno .

El reloj atómico mas exácto que el de un mecanismo electrónico , utiliza las vibraciones de los átomos de cesio .

Diagrama del péndulo simple. Engranaje del mecanismo de péndulo :

Período de oscilación T es el tiempo que tarda el péndulo en pasar de la posición extrema A a la posición extrema B, y de ésta nuevamente a la primera .

siendo L igual a la distancia desde el punto de suspensión al centro de gravedad de la pesa, g=aceleración de la gravedad .

El péndulo oscila con velocidad constante, lo que hace de él un regulador ideal para relojes. El período de cada oscilación depende solamente de la longitud del péndulo.


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