Cómo funcionan los relojes de péndulo

¿Alguna vez ha mirado dentro de un reloj de pie o un pequeño reloj despertador mecánico, ha visto todos los engranajes y resortes y ha pensado:"¡Vaya, eso es complicado!"? Si bien los relojes normalmente son bastante complicados, no tienen por qué ser confusos o misteriosos. De hecho, a medida que aprende cómo funciona un reloj, puede ver cómo los diseñadores de relojes enfrentaron y resolvieron una serie de problemas interesantes para crear dispositivos de cronometraje precisos. En este artículo, lo ayudaremos a comprender qué hace que los relojes funcionen, de modo que la próxima vez que mire dentro de uno pueda entender lo que está sucediendo.

Empecemos echando un vistazo a las diferentes partes de un reloj de péndulo.

Piezas de péndulo

Los relojes de péndulo se han utilizado para medir el tiempo desde 1656 y no han cambiado drásticamente desde entonces. Los relojes de péndulo fueron los primeros relojes hechos para tener algún tipo de precisión. Cuando observa un reloj de péndulo desde el exterior, observa varias partes diferentes que son importantes para el mecanismo de todos los relojes de péndulo:

En la mayoría de los relojes de pared que usan un péndulo, el péndulo oscila una vez por segundo. En los pequeños relojes de cuco, el péndulo puede oscilar dos veces por segundo. En los relojes de pie grandes, el péndulo oscila una vez cada dos segundos. Entonces, ¿cómo funcionan juntas estas partes para mantener el reloj en marcha y la hora exacta? Echemos un vistazo al peso, primero.

Un tema de peso

La idea detrás del peso es actuar como un dispositivo de almacenamiento de energía para que el reloj pueda funcionar durante períodos de tiempo relativamente largos sin supervisión. Cuando "da cuerda" a un reloj impulsado por pesas, tira de una cuerda que levanta la pesa. Eso da el peso "energía potencial " en el campo gravitacional de la Tierra. Como veremos en un momento, el reloj usa esa energía potencial a medida que cae el peso para impulsar el mecanismo del reloj.

Entonces, digamos que queríamos usar un peso que cae para crear el reloj más simple posible, un reloj que solo tiene una manecilla de segundos. Queremos que la manecilla de segundos de este simple reloj funcione como una manecilla de segundos normal en cualquier reloj, haciendo una revolución completa cada 60 segundos. Podríamos intentar hacer eso, como se muestra en la figura de la derecha, simplemente conectando el cable del peso a un tambor y luego adjuntando una segunda mano al tambor también. Esto, por supuesto, no funcionaría. En este mecanismo simple, soltar el peso haría que cayera lo más rápido posible, girando el tambor a unas 1000 rpm hasta que el peso resonara en el suelo.

Aún así, va en la dirección correcta. Digamos que ponemos algún tipo de fricción dispositivo en el tambor, una especie de pastilla de freno o algo que podría reducir la velocidad del tambor. Esto podría funcionar. Seguramente seríamos capaces de idear algún esquema basado en la fricción para lograr que la manecilla de segundos haga aproximadamente una revolución por minuto. Pero solo sería aproximado. A medida que cambiaba la temperatura y la humedad en el aire, la fricción en el dispositivo cambiaría. Por lo tanto, nuestra manecilla de segundos no marcaría muy bien el tiempo.

Entonces, allá por el siglo XVII, las personas que querían crear relojes precisos estaban tratando de resolver el problema de cómo hacer que la manecilla de segundos hiciera exactamente una revolución por minuto. El astrónomo holandés Christiaan Huygens se le atribuye haber sugerido primero el uso de un péndulo. Los péndulos son útiles porque tienen una propiedad sumamente interesante:El período (la cantidad de tiempo que tarda un péndulo en ir y venir una vez) de la oscilación de un péndulo se relaciona únicamente con la longitud del péndulo y la fuerza de la gravedad. Dado que la gravedad es constante en cualquier punto del planeta, lo único que afecta el período de un péndulo es la longitud del péndulo . La cantidad de peso no importa. Tampoco la longitud del arco que recorre el péndulo. Sólo importa la longitud del péndulo. Si no está convencido, ¡pruebe el experimento en la siguiente página!

Tiempo de Experimento

Como dijimos en la página anterior, lo único que afecta el período de un péndulo es la longitud de ese péndulo. Puedes comprobar este hecho por ti mismo realizando el siguiente experimento. Para este experimento necesitarás:

Para el peso se puede usar cualquier cosa. En un apuro, una taza de café o un libro servirá, en realidad no importa. Ate la cuerda al peso. Luego suspenda su péndulo sobre el borde de la mesa para que la longitud del péndulo sea de aproximadamente 2 pies.

Ahora tire del peso hacia atrás alrededor de un pie y deje que su péndulo comience a balancearse. Tómelo durante 30 o 60 segundos y cuente cuántas veces se balancea hacia adelante y hacia atrás. Recuerda ese número. Ahora detenga el péndulo y reinícielo, pero esta vez tire hacia atrás solo 6 pulgadas inicialmente para que se balancee a través de un arco mucho más pequeño. Cuente el número de oscilaciones nuevamente durante el mismo período de tiempo de 30 o 60 segundos. Lo que encontrarás es que el número que obtienes es el mismo que el primer número que contaste. En otras palabras, el ángulo del arco a través del cual oscila el péndulo no afecta el período del péndulo. Solo importa la longitud de la cuerda del péndulo. Si juega con la longitud de su péndulo, encontrará que puede ajustarlo para que oscile hacia adelante y hacia atrás exactamente 60 veces en un minuto.

(Nota:si desea ser exactamente preciso sobre el período del péndulo, consulte este interesante artículo).

Una vez que alguien notó este hecho sobre los péndulos, se dio cuenta de que podía usar el fenómeno para crear un reloj preciso. La siguiente figura muestra cómo puede crear un escape de reloj usando un péndulo.

En un escape hay un engranaje con dientes de alguna forma especial. También hay un péndulo, y unido al péndulo hay algún tipo de dispositivo para engranar los dientes del engranaje. La idea básica que se demuestra en la figura es que, por cada oscilación del péndulo de un lado a otro, un diente del engranaje puede "escapar".

Por ejemplo, si el péndulo se balancea hacia la izquierda y pasa por la posición central como se muestra en la figura de la derecha, a medida que el péndulo continúa hacia la izquierda, el tope izquierdo sujeto al péndulo soltará su diente. Luego, el engranaje avanzará medio diente hacia adelante y llegará al tope derecho. Al avanzar y topar con el tope, el tren emitirá un sonido... "tick" o "tock" siendo los más comunes. ¡De ahí es de donde viene el tictac de un reloj!

Una cosa a tener en cuenta es que los péndulos no oscilarán para siempre. Por lo tanto, un trabajo adicional del mecanismo de escape es impartir la energía suficiente al péndulo para superar la fricción y permitir que siga oscilando. Para realizar esta tarea, el ancla (el nombre que se le da al artilugio unido al péndulo para liberar el engranaje de escape un diente a la vez) y los dientes del engranaje de escape tienen una forma especial. Los dientes del engranaje escapan correctamente, y el ancla empuja el péndulo en la dirección correcta cada vez que se balancea. El empujón es el impulso de energía que el péndulo necesita para superar la fricción, por lo que sigue balanceándose.

Entonces, digamos que creas un escape. Si le dio al engranaje de escape 60 dientes y lo conectó directamente al tambor de pesas que discutimos anteriormente, y si luego usó un péndulo con un período de un segundo, habría creado con éxito un reloj en el que la manecilla de segundos gira en el tasa de una revolución por minuto. Al ajustar la longitud del péndulo con mucho cuidado, podríamos crear un reloj con una precisión muy alta.

Sin embargo, aunque preciso, este reloj tendría dos problemas que lo harían menos que útil:

La mayoría de la gente quiere que un reloj también tenga manecillas de horas y minutos.
Tendrías que darle cuerda al reloj cada 20 minutos. Debido a que el tambor hace una revolución cada minuto, el peso se desenrollaría en el suelo muy rápidamente. ¡A la mayoría de las personas no les gustaría un reloj que tuviera que retroceder cada 20 minutos!

Entonces, ¿qué se necesita para resolver el problema del devanado? Sigue leyendo...

¡Preparándose!

El problema de tener que rebobinar cada 20 minutos es fácil de resolver. Como se explica en Cómo funcionan las relaciones de engranajes, puede crear un tren de engranajes de alta relación que haga que el tambor dé quizás una vuelta cada seis a 12 horas. Esto le daría un reloj que solo tendría que retroceder una vez a la semana más o menos. La relación de transmisión entre el tambor de pesas y el mecanismo de escape podría ser algo así como 500:1, como se muestra en el siguiente diagrama:

En este diagrama el mecanismo de escape tiene 120 dientes, el péndulo tiene un período de medio segundo y el segundero está conectado directamente al mecanismo de escape. Cada engranaje en el tren de engranajes del peso tiene una relación de 8:1, por lo que la relación del tren completo es 492:1.

Puede ver que si deja que el engranaje de escape impulse otro tren de engranajes con una relación de 60:1, puede conectar el minutero al último engranaje de ese tren. Un tren final con una relación de 12:1 manejaría la manecilla de la hora. ¡Presto! Tienes un reloj.

Ahora bien, este reloj es agradable, pero tiene dos problemas:

Las manecillas de horas, minutos y segundos están en ejes diferentes. Ese problema generalmente se resuelve usando ejes tubulares en los engranajes y luego disponiendo los trenes de engranajes de modo que los engranajes que manejan las manecillas de hora, minutos y segundos compartan el mismo eje. Los ejes de engranajes tubulares están alineados uno dentro del otro. Mire de cerca cualquier esfera de reloj y podrá ver este arreglo.
Debido a que todos estos engranajes están conectados directamente entre sí, no hay una manera fácil de rebobinar o ajustar el reloj. Eso a menudo se maneja con un engranaje que se puede deslizar fuera del tren. Cuando tiras del eje de un reloj de pulsera para configurarlo, eso es esencialmente lo que estás haciendo. En la figura de arriba, puede imaginar quitar temporalmente el pequeño engranaje negro para dar cuerda o poner en hora el reloj.

Puedes ver que, aunque todos los engranajes de un reloj lo hacen parecer complicado, lo que hace un reloj de péndulo es bastante simple. Hay cinco partes básicas:

Una vez que entiendas estas piezas, ¡los relojes son pan comido!

Preguntas y respuestas

Aquí hay una serie de preguntas de los lectores:

Para obtener más información sobre péndulos, cronometraje y temas relacionados, consulte los enlaces a continuación.