EL RELOJ MECÁNICO. Conceptos básicos de funcionamiento e historia.
En este artículo haremos un recorrido por la evolución de los relojes mecánicos. Desde los primeros de campanario, grandes, algo toscos, inexactos, siguiendo por el reloj de péndulo que podía ser perectamente un reloj familiar o de centro de trabajo hasta terminar con el reloj de bolsillo y luego de pulsera.
Nos detendremos especialmente en su obtención de la energía para mover la maquinaria y en cómo el movimiento de esa maquinaria ha de supeditarse a unas normas que le eviten el efecto peonza.
Entenderemos que un reloj es bastante más que un ingenioso juego de engranajes (que también) sino que además implica profundos conocimientos científico-técnicos.
Al ser este un tema conceptualmente complejo me ha parecido importante incluir dos videos (también lo hago al final) que permitan visualizar las ideas que aquí se exponen.
Como vas a quedar fascinado y quizás quieras comprarte uno, te dejo este enlace con mis cinco favoritos.
Los primeros relojes eran relojes de torre o campanario pero ya tenían la rueda de escape.
Estructura general de los primeros relojes
Podemos establecer estos puntos de los primeros relojes.
- Tomaban la energía de un peso que desenrollaba una cuerda.→
- →Enrollada a una barra de hierro →
- →Que hacía girar una rueda que →
- →Giraría descontroladamente «a lo loco» «a lo peonza» (por eso se llama «rueda foliot») y que no mediría ningún intervalo de tiempo, si no fuera porque se le añadieron a su diseño una especie de dientes que→
- →Junto a las aletas de una barra perpendicularmente colocada que hacen de tope en el giro y establecen un ritmo, ritmo que se convertirá en el famoso tic-tac de los relojes.
- Vamos a decirlo de otra manera: piensa en una peonza. Enrollas un cuerda, la desenrollas ejeciendo determinada fuerza ¿y cómo gira?
- ¿De qué manera pueden estos relojes ofrecer un mínimo de exactitud/precisión? Modificando la masa del peso. Según sea éste de pesado y en relación a los otros elementos, la rueda girará a mayor o menor elocidad y mediante una secuencia de prueba/error se podrá conseguir unos valores de medida. (Que en el mejor de los casos suponían una desviación de +/- 30 minutos día)
Este sería aproximadamente el diseño de ese invento fundamental del escape. Podemos ver la rueda con los dientes y esa barra en posicion vertical/perpendicular con dos aletas que van frenando el giro de dicha rueda.
Este escape se llama por eso mismo escape de paletas.
El dibujo tiene casi todos los elementos de aquellos relojes primitivos. Falta el peso que desenrosca la cuerda y la barra que atravesando el orificio central hace girar la rueda.
¿Y las pesas que vemos en la parte superior? Según dónde se colocan, más cerca o más lejos del centro determinar una mayor o menor velocidad de giro de la rueda.
En este dibujo (tomado de Historiadel.com) se aprecia muy bien todo lo que hemos desarrolado más arriba.
El invento del escape fue fundamental para que pudieramos definir a estas máquinas como relojes.
Los primeros eran grandes e inexactos. Los mejores se desviaban 30 minutos cada día.
Marcaban la hora de la ciudad. Solamente de cada cuidad, no existía una hora estandarizada de uso universal.
Debían ser ajustados cada día.
Y en este vídeo también pueden verse estas peculiaridades.
Función inicial de los relojes.
Su función primera fue indicar el horario de vida y rezos de los monasterios y poco despues hacer lo mismo en las ciudades, los «burgos» donde una incipiente clase social, «los burgueses» necesitaba igualmente cumplir con unas obligaciones que ya no eran estrícamente agrícolas. con . En ambos lugares el tiempo natural, es decir el determinado por el sol y las estaciones, no servía para compartimentar los diversos momentos de la vida diaria, bien religiosos, bien civiles.
Resumiendo, el reloj nació para la ida religiosa de los monasterios y alcanzó su esplendor en la vida civil de la ciudades
Ciudades donde se colocaron los primeros relojes
Padua hacia 1344: Parece ser que aquí se instaló el primer reloj propiamente mecánico. Mandado construir por Santiago Dondis de quien no hay información en la red.
Paris, Palais de Justice circa 1350
En 1359, la catedral de Chartres
1392 se instaló un reloj en la catedral de Wells.
En España.
La noticia más antigua de la instalación de un reloj de torre data de 1378, cuando se recogen en un documento las condiciones establecidas entre el cabildo de la catedral de Valencia y Juan Alemany, maestro de relojes procedente de Alemania, para realizar un reloj de esfera grande para ubicarlo en el antiguo campanario. Desgraciadamente tampoco he podido wncontrar la biografía de dicho relojero.
Catedral de Barcelona en 1393: en la torre se localiza el reloj «seny de les hores»
Campanario de la iglesia de San Miguel de la villa de Cuéllar (Segovia) 1395
Finalmente en la catedral de Sevilla otro en 1396, cuya inauguración tuvo lugar el 22 de julio de 1400 en presencia del rey Enrique III de Castilla.7
De Galileo a Christiaan Huygens pasando por un candelabro en la catedral de Pisa.
El péndulo y Galileo
Definimos péndulo como: Cuerpo sólido que, desde una posición de equilibrio determinada por un punto fijo del que está suspendido situado por encima de su centro de gravedad, puede oscilar libremente, primero hacia un lado y luego hacia el contrario.
Se cuenta que Galileo inició sus estudios sobre el péndulo en 1583, cuando observó el balanceo de un candelabro que un sacristan empujó, en la catedral de Pisa.
Se percató de que a pesar de que la amplitud de sus oscilaciones disminuía gradualmente, su duración o periodo no variaba.
Para llegar a tan antiintuitiva observación se tomó el pulso a si mismo contando cuantas pulsaciones de daban por «balanceo» comprobando que eran las mismas aunque amplitud del balanceo fuera máyor al principio que al final, como ya se ha dicho.
En experimentos que hizo en su propia casa y ayudado por amigos, confirmó lo observado en la catedral de Pisa. También demostró que pesos distintos oscilan igual a condición de que las cuerdas de las que «penden» (péndulo) tengan la misma longitud.
Todo esto llevó a Galileo a establecer una cualidad fundamental del péndulo: el isocronismo, es decir la igualdad de duración en los movimientos de un cuerpo.
Por supuesto la física que existe detras de estos fenomenos básicos es mucho más compleja y matizada. Por ejemplo entran en juego la gravedad y la rotación terrestre que no pueden obviarse en experimentos de alto nivel.
Sin embargo para los propósitos de este artículo nos quedaremos con esos conceptos y como ya propuso Galileo, una de las más evidentes utilidades de un péndulo es que sirve para fabricar relojes más precisos. Pero ya no fue trabajo de Galileo sino de nuestro siguiente personaje.
Huygens y el reloj de péndulo.
La obra científica de este holandés universal es sencillamente colosal y para los interesados les dejo este enlace de la Wikipedia https://es.wikipedia.org/wiki/Christiaan_Huygens
Huyens precisó la longitud adecuada del péndulo y la amplitud de las oscilaciones, el reloj era más exacto si la longitud del péndulo era de de 0.994 m de largo y la oscilación de 4º-6º, así se consegía que cada oscilación durara un segundo y que el desvío diario fuera de 15 segundos frente a los 30 minutos que sabemos que era como poco en los primeros relojes de campanario.
La construcción de este reloj la confió Huygens al relojero Salomon Coster y seguramente a este relojero se debe la inclusión del escape de ancora en sustitución del anterior escape de paletas
Podemos establecer la fecha de a creación de estos relojes en 1656 y se estima que hasta el año 1930 estos relojes han tenido el sistema de cronometraje mas preciso, masificándose su uso.
Veamos ahora esquemáticamente los elementos de este reloj:
Energía: Una pesa que al caer desenrolla una cuerda o cadena.
Tren de engranajes que transmite el movimiento al péndulo.
Péndulo que regulado por el escape traduce el movimiento en un medida util del tiempo.
Este excente esquema muestra (1) la fuente de energía, la pesa que al caer por la fuerza de la gravedad, desenrrolla la cadena que (2) mueve los engranajes, movimiento que se transmite a las diversas ruedas del reloj hasta llegar al (3) escape de áncora que junto a la longitud del pénedulo, 0.994 m y los grados de oscilación 4º-6º grados determinan que cada balanceo sea un segundo.
(El escape, ya sabemos, que es ese invento fundamental que hace pasar a una rueda de la categoría de peonza que gira a lo loco, a una rueda de giro controlado que hace tic-tac)
Es evidente el parecido de este elemento a un ancla de barco, es decir a una «áncora»
Resumiendo:
Los relojes de péndulo permitieron pasar del campanario de una iglesia o de la fachada de una ayuntamiento a la pared de una oficina, lonja u hogar.
Se convirtieron en relojes muy exactos. Como se ha comentado más arriba, su precisión no se superó hasta la década de 1930
Debían permanecer en un lugar permanentemente. No son relojes portátiles, el desplazamiento altera su precisión.
Los cambios de temperatura son tambien perjudiciales, porque la dilatación/contracción de los materiales tiene influencia en la precisión y exactitud, Por ejemplo, no es lo mismo que la barilla sea de cobre o de madera.
Este enlace/video de unos alumnos de la Universidad de Ecuador ofrece una visión general de todo este tema. Inicialmente el sonido es malo pero pronto mejora, merece la pena pasar esos minutos.
Por fin un reloj que cabe en un bolsillo.
Bueno tal vez en un bolsillo grande o una faltriquera. Aunque lo habitual era que sirvieran de colgante.
El inventor alemán Peter Henlein (nacido alrededor de 1480, fallecido el 14/11/1542, fue un mecánico de precisión en Nuremberg) utilizó la invención de un muelle principal para hacer un reloj cuya potencia no dependiera de la caída del peso. Esto hizo posible la fabricación de relojes más pequeños. No existe ni unanimidad ni precisión para determinar quién, cúando y dónde se inventó el muelle real.
El reloj de bolsillo es, expresado en forma muy general, coetáneo al reloj de péndulo.
Tenemos constancia del reloj de bolsillo más antiguo que se conserva impulsado por un resorte es el Burgunderuhr (Reloj de Borgoña), un reloj de cámara dorado profusamente decorado, actualmente conservado en el Museo Nacional Germano de Núremberg, cuya iconografía sugiere que se construyó alrededor de 1430 para Felipe III de Borgoña.
Los resortes empezaron a utilizarse de manera continua en cerrajería, tal que muchos relojeros fueron primero cerrajeros.
Los elementos fundamentales de estos relojes son: el resorte o muelle real que aporta la energía, el tren de engranajes, que distribuye la energía, el escape que controla la liberación de la energía y el órgano regulador , volante más espiral.
Pero definamos primero qué es un resorte.
¿Qué es un resorte o muelle?
Se trata de una estructura habitualmente helicoidal de tipo elástico, es decir, que si es sometida a una fuerza que modifica su forma (la deforma), cuando cesa dicha fuerza deformante, tiende a recuperar su posición inicial.
En este proeso se utiliza energía para deformar y se devuelve la energía en el proceso de recuperación. Energía que se utiliza ahora para moer todo en tren de engranajes.
Por tanto ya no es la fuerza de la gravedad, como en el caso del reloj de campanario o reloj de péndulo, la energía ahora se genera en un resorte, denominado muelle real.
El muelle real inicialmente era de acero no galvanizado.
El muelle real está alojado en lo que denominamos barrilete
Este es un dibujo muy ilustrativo de un muelle real de reloj. En A se puede observar una sección de hueca que es donde se insertará un gancho que permitirá dar cuerda al reloj. Es decir enrollar al muelle.
El muelle real van dentro de un elemento que se llama barrilete 
Aqui apreciamos como el barrilete tiene una estructura dentada tipo de engranaje. También observamos que el muelle está practicamente pasivo y como en el extremo central va unido a un vástago que forma parte del barrilete. Al «dar cuerda» a la corona, irá enrrollandose sobre ese vástago, adquiriendo tensión, almacenando energía que posteriormente devuelve.
En esta fotografía, a la izquierda vuelve a apreciarse el muelle real enganchado mediante la muesca al vástago. Puede observarse el dentado de engranaje y a la derecha la tapa que lo cierra.
Bien, ya hemos establecido el origen de la energía que mueve los engranajes del reloj, también sabemos que esa energía debe ser controlada para que no tengamos el efecto peonza, es decir, para que esas ruedas del tren de engranaje no giren ineficazmennte. Es decir, ya sabemos que todos los relojes deben incluir el mecanismo del escape.
Sin embargo, Galileo y Huygens demostraron que para que los relojes adquieran la exactitud que requiere su función era necesario que el escape se adaptara a algún ciclo constante y previsible, a oscilaciones conocidas y mantenidas, es decir demostraron que un reloj de péndulo era mucho mas excato/preciso que un reloj de campanario. (ver también este articulo de los relojes de cuarzo y como la piezoelectricidad determina ciclos y oscilaciones que pueden utilizarse para medir el tiempo)
Dicho de otra manera demostraron que un reloj debe poseer algún mecanismo que permita la división secuencial del tiempo en partes iguales.
¿Pero cómo hacemos para incluir un péndulo en un pequeño reloj de bolsillo?
Esta será la función del volante y de la espiral. El órgano regulador.
La invención de este mecanismo es también obra del gran cientíco holandeés Christiaan Huygens y se da la fecha de 1667.
¿Qué es el volante de un reloj? Es un oscilador mecánico armónco en forma de aro, con dos topes y que movido por la espiral, enlazado con el sistema de escape determina el ritmo del reloj. En definitiva, regula su movimiento y merecidamente ostenta el título de órgano regulador.
En la anterior definición hay dos elementos que debemos analizar:
Oscilador mecánico armónico: Sin entrar en profundidades de la teoría física podemos definirlo como aquel que cuando la fuerza que lo impusa dasaprece, vuelve a su posición de equilibrio (estático, quieto) mediante moimientos de vaivén, de oscilación.
Espiral: Se trata de un muelle fino, rectangular, en forma de espiral pero que al contrario que el muelle real no se enrolla y desenrolla, sino que se estira/encoge según que la fuerza actue o decaiga. Esa fuerza le es proporcianada por el muelle real mediante el tren de engranajes ¿Y quién hace que actue o decaiga? El áncora en su porción inicial, es decir la opuesta a las anclas. El áncora es ua especie de interruptor que «enciende o apaga» a la espiral. Esta espiral puede hacer girar más rápido o más lento al volante según esté más o menos tensionada y esa tensión puede modificarse mediante la presión de un tornillo. Es decir si adelanta o retrasa por fuera de los estándares señalados por el fabricante podemos «apretar o aflojar» la espiral para que la velocidad de oscilación (ciclos, Herzios) se adecúe (sólo hacerlo profesionales)
Resumiendo:
Muelle real→tren de engranajes→escape→espiral→volante→escape
Como todo esto es de difícil comprensión, estos dos vídeos magníficos van a ser una ayuda de primera.
Una exelente explicación podemos encontrar en este video, que por supuesto merece todos los créditos.
También incluyo este video de Seiko para que os fijéis como la espiral del organo regulador, al contrario del muelle real no se enrolla o se desenrolla, se encoge o se expande y ese ciclo es el que le permite almacenar y liberar energía. Recuerda a un pulso.
Y despues de todo lo anterior, el límite está en el cielo
Lo que sigue, que no es motivo de este artículo, no es sino una explosión de creatividad, imaginación, búsqueda de la perfección y el propósito declarado de romper todos los límites. Y de superar todos los records. Un ejemplo de esto sería el famoso certificado COSC.
Lla expresión de que «el límite es el cielo» no es una imagen retórica.
Esos relojes toscos de campanario, luego de péndulo, de faltriquera, de pulsera, con agujas horarias, minuteras, segunderas, calendario de día y fecha, tourbillon, sonería, automáticos ciclos lunares, relojes astronómicos, materiales en constante mejora… y lo que se nos ocurra , alcanzó su cenit, el día que un reloj llegó a la Luna. Y como si de una premonición se tratara ese Omega que acompaño a los astronautas a la Luna, constituye algo así como el canto del cisne de la relojería mecánica tradicional. Poco después llegó otro cisne, el cisne negro de la crisis del cuarzo.