Escape

El primer escape accionado por líquido fue descrito por el ingeniero griego Filón de Bizancio en el siglo III a. C. en el capítulo 31 de su tratado técnico Neumática , como parte de un lavabo . ^{[ 7 ]} Una cuchara contrapesada , alimentada por un depósito de agua, se vuelca en una palangana cuando está llena, liberando una pieza esférica de piedra pómez en el proceso. Una vez vacía, la cuchara vuelve a subir gracias al contrapeso, cerrando la puerta sobre la piedra pómez mediante una cuerda tensora. Cabe destacar que el comentario de Filón de que "su construcción es similar a la de los relojes" indica que tales mecanismos de escape ya estaban integrados en los antiguos relojes de agua. ^{[ 7 ]}

En China, el monje budista Yi Xing de la dinastía Tang , junto con el funcionario gubernamental Liang Lingzan , fabricaron en el año 723 (o 725) d. C. el escape para el funcionamiento de una esfera armilar y un mecanismo de reloj accionados por agua , que fue el primer escape mecánico del mundo. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Los relojeros de la dinastía Song, Zhang Sixun y Su Song , aplicaron dispositivos de escape para sus torres de reloj astronómicas en el siglo X, ^{[ 10 ]} donde el agua fluía hacia un recipiente sobre un pivote. Sin embargo, la tecnología posteriormente se estancó y retrocedió. Según el historiador Derek J. de Solla Price , el escape chino se extendió hacia el oeste y fue la fuente de la tecnología de escape occidental. ^{[ 11 ]}

Según Ahmad Y. Hassan , un escape de mercurio descrito en un documento español para Alfonso X en 1277 puede rastrearse hasta fuentes árabes anteriores. ^{[ 12 ]} El conocimiento de estos escapes de mercurio pudo haberse extendido por Europa con traducciones de textos árabes y españoles. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Sin embargo, ninguno de estos mecanismos era un verdadero escape mecánico, ya que seguían dependiendo del flujo de líquido a través de un orificio para medir el tiempo. En estos diseños, un recipiente se inclinaba cada vez que se llenaba, haciendo avanzar las ruedas del reloj cada vez que se extraía una cantidad igual de agua. El tiempo entre liberaciones dependía del caudal, como en todos los relojes de líquido. El caudal de un líquido a través de un orificio varía con la temperatura y la viscosidad, y disminuye con la presión a medida que baja el nivel de líquido en el recipiente. El desarrollo de los relojes mecánicos dependió de la invención de un escape que permitiera controlar el movimiento del reloj mediante una masa oscilante que permaneciera constante.

El primer escape mecánico, el escape de áncora , se utilizó en un aparato de campanas llamado alarma durante varios siglos antes de que se adaptara a los relojes. ^{[ 14 ]} Algunas fuentes afirman que el arquitecto francés Villard de Honnecourt inventó el primer escape en 1237, citando un dibujo de un mecanismo de cuerda para hacer girar una estatua de un ángel y que siguiera al sol, encontrado en sus cuadernos; ^{[ 15 ]} sin embargo, el consenso es que esto no era un escape. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

El astrónomo Robertus Anglicus escribió en 1271 que los relojeros estaban intentando inventar un escape, pero aún no lo habían logrado. ^{[ 22 ]} Los registros de transacciones financieras para la construcción de relojes apuntan a finales del siglo XIII como la fecha más probable para la transición de los mecanismos de los relojes de torre de los relojes de agua a los escapes mecánicos. ^{[ 23 ] : 103-104 [ 24 ]} La mayoría de las fuentes coinciden en que los relojes de escape mecánicos existían hacia 1300. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

Sin embargo, la descripción más antigua disponible de un escape no era un escape de áncora, sino una variación llamada escape estroboscópico . Descrito en el manuscrito de Richard de Wallingford de 1327, Tractatus Horologii Astronomici, sobre el reloj que construyó en la Abadía de St. Albans , este escape consistía en un par de ruedas de escape en el mismo eje, con dientes radiales alternos. La varilla de áncora estaba suspendida entre ellas, con una pieza transversal corta que giraba primero en una dirección y luego en la otra a medida que los dientes escalonados pasaban. ^{[ 23 ] : 103-104} Aunque no se conoce ningún otro ejemplo, es posible que este fuera el primer diseño de escape de reloj. ^{[ 23 ] : 103-104 [ 27 ] [ 28 ]}

El escape de áncora se convirtió en el escape estándar utilizado en todos los demás relojes de pulsera y de pared antiguos, y siguió siendo el único escape conocido durante 400 años. Su rendimiento estaba limitado por la fricción y el retroceso, pero, sobre todo, los primeros volantes utilizados en los escapes de áncora, conocidos como foliot , carecían de muelle de equilibrio y, por lo tanto, no tenían un "latido" natural, lo que limitaba gravemente su precisión horaria. ^{[ 1 ] : p.514-515 [ 14 ] [ 29 ] [ 23 ] : 124-125}

Un gran avance en la precisión de los escapes se produjo después de 1657, debido a la invención del péndulo y la adición del resorte de equilibrio al volante, ^{[ 29 ] [ 14 ] [ 23 ] : 124-125} lo que convirtió a los cronómetros de relojes en osciladores armónicos . La mejora resultante en la precisión de la cronometría permitió una mayor atención a la precisión del escape. Los dos siglos siguientes, la "edad de oro" de la relojería mecánica , vieron la invención de más de 300 diseños de escape, aunque solo unos diez de ellos se utilizaron ampliamente en relojes. ^{[ 30 ]}

La invención del oscilador de cristal y del reloj de cuarzo en la década de 1920, que se convirtió en el reloj más preciso en la década de 1930, orientó la investigación tecnológica en la medición del tiempo hacia los métodos electrónicos , y el diseño de los mecanismos de escape dejó de desempeñar un papel en el avance de la precisión horaria.

El elemento de cronometraje en los relojes mecánicos, el péndulo o volante , se denomina en física oscilador armónico ( resonador ). ^{[ 1 ] : 515} Consiste en una masa que regresa a su posición de equilibrio mediante una fuerza restauradora proporcional a su desplazamiento. Su ventaja para la medición del tiempo radica en que oscila preferentemente a una frecuencia resonante específica.${\displaystyle f}$o un período independiente de la amplitud de oscilación, que depende únicamente de sus características físicas y se resiste a oscilar a otras frecuencias. ^{[ 35 ] : 37} La frecuencia de resonancia está determinada por el momento de inercia del resonador y la fuerza restauradora : en los volantes de inercia, la elasticidad del muelle espiral ; en los péndulos, la fuerza gravitatoria. ^{[ 1 ] : 516-517}

El escape es un dispositivo de control de retroalimentación ; la fuerza impulsora se activa cada vez que el resonador alcanza un punto específico en su ciclo. ^{[ 14 ]} El resonador (péndulo o volante) y el escape juntos forman un oscilador de retroalimentación mecánica , análogo al circuito oscilador electrónico en un reloj de cuarzo . ^{[ 35 ] : 39} Es impulsado por la fuerza continua ( par ) del muelle real o las pesas del reloj, transmitida a través del tren de engranajes . ^{[ 36 ]} La función del escape es aplicar esta fuerza en empujes cortos (impulsos) al péndulo o volante para mantener su movimiento oscilatorio, de modo que no se detenga, con una mínima alteración del período.

Los mecanismos de escape son difíciles de entender porque son dispositivos bidireccionales: la energía (impulsos) que mantiene el oscilador en movimiento pasa a través del mecanismo de escape desde el tren de ruedas hasta el oscilador, pero las señales de sincronización, el bloqueo y la liberación de la rueda de escape, que controlan la velocidad de avance del tren de ruedas y las manecillas del reloj, pasan en la dirección opuesta, desde el oscilador hasta el tren de ruedas.

La interacción del escape con el oscilador perturba inevitablemente su oscilación natural, modificando ligeramente el periodo. En relojes de precisión, esta suele ser la principal causa de inexactitud. El escape debe interactuar con el oscilador para realizar dos funciones en cada oscilación: al activarse en un punto determinado de la oscilación, libera las ruedas del reloj para que avancen una distancia fija y aplica una fuerza de impulso al oscilador para compensar la pequeña cantidad de energía que se pierde por fricción en cada ciclo. ^{[ 36 ]}

La magnitud del error que provocan los impulsos del escape depende de la curva de resonancia del oscilador . Esta curva no es infinitamente "nítida". Tiene un pequeño rango de frecuencia natural alrededor de su frecuencia de resonancia, denominado ancho de resonancia.${\displaystyle W}$^{[ 35 ] : 43–44} En funcionamiento , la frecuencia real del oscilador puede variar aleatoriamente dentro de este rango en respuesta a variaciones en el impulso del escape, pero fuera de este rango de frecuencia el oscilador no funciona en absoluto. ^{[ 35 ] : 47}

La medida de la precisión posible de un oscilador armónico como cronómetro es un parámetro adimensional llamado factor Q , ^{[ 35 ] : 41} que es igual a la frecuencia de resonancia.${\displaystyle f}$dividido por el ancho de resonancia

${\displaystyle Q={f \over W}}$

Cuanto más grande sea el${\displaystyle Q}$Cuanto menor sea el factor de ancho de resonancia como fracción de la frecuencia de resonancia, con mayor precisión el oscilador regulará la velocidad del reloj.

El${\displaystyle Q}$El factor depende de cuánta fricción tenga el oscilador, cuántas oscilaciones realiza antes de detenerse cuando oscila libremente. ^{[ 35 ] : 44–45} Cuanto menor sea la fricción, mayor será la${\displaystyle Q}$. El${\displaystyle Q}$es igual a 2π veces la relación entre la energía almacenada en el péndulo o volante y la energía perdida por fricción durante cada ciclo, que es igual a la energía añadida por el impulso del escape en cada ciclo. Por lo tanto, cuanto mayor sea la${\displaystyle Q}$es decir, cuanto menor sea la pérdida de energía, menor será el impulso que debe aplicarse en cada ciclo para mantenerlo oscilando, y menor será la perturbación al movimiento natural del oscilador. ^{[ 35 ] : 44–45} El${\displaystyle Q}$La precisión de los volantes es de alrededor de 300, la de los péndulos es de 10³ ^a 10⁵ ^, mientras que la de los cristales de cuarzo en los relojes de cuarzo es de ^10⁵ a 10⁶ ^. Esto explica por qué los volantes suelen ser menos precisos que los péndulos, que a su vez son menos precisos que los relojes de cuarzo.

Si el impulso aplicado por el escape fuera idéntico y se aplicara en el mismo punto en cada ciclo, la respuesta del oscilador sería idéntica y su período constante, y el escape no causaría ninguna imprecisión. Sin embargo, esto no es posible. Existen pequeñas variaciones inevitables en la fuerza motriz aplicada al escape en todos los relojes, debido a causas como el agotamiento del muelle real, variaciones en la viscosidad del lubricante con la temperatura, el secado del lubricante, la acumulación de suciedad y corrosión, cambios en la fricción debido al desgaste, la dilatación térmica de las piezas con los cambios de temperatura y el "error de posición" en los relojes: la variación de la fricción cuando el reloj gira y el peso de los ejes de los engranajes presiona contra las superficies de apoyo.

Por lo tanto, el objetivo del diseño del escape es aplicar el impulso de manera que se minimice la variación del período ante cambios en la fuerza motriz. Esto se denomina isocronismo . ^{[ 36 ]} Ningún escape es completamente isócrono, pero cuanto menos perturbe la fuerza motriz el oscilador, mayor será la precisión del reloj.

Aunque el mecanismo de escape fuera perfectamente isócrono, el péndulo o volante inevitablemente presenta pequeñas desviaciones inherentes al isocronismo, causadas por la falta de proporcionalidad exacta de la fuerza restauradora con la amplitud. ^{[ 36 ]} En los volantes, esto se debe a pequeñas no linealidades en el muelle de equilibrio. En los péndulos, se debe al error circular , un pequeño aumento del período de oscilación con la amplitud.

En 1826, George Biddell Airy demostró que, para lograr el máximo isocronismo, el mejor punto del ciclo para aplicar el impulso a un oscilador armónico es su posición de equilibrio; en un péndulo, en el punto más bajo de su oscilación, y en un volante, cuando pasa por su posición de reposo central, donde la fuerza restauradora del resorte es cero. ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 36 ]} Por el contrario, aplicar una fuerza de impulso al oscilador en los extremos de su oscilación provoca la máxima perturbación en su movimiento. Airy demostró que, si se impulsa mediante un impulso simétrico respecto a su punto de equilibrio, un oscilador armónico ideal es isócrono; su período es independiente de su fuerza impulsora y amplitud de oscilación. Los mejores escapes, como el de áncora muerta y el de palanca, se aproximan a esta condición.

Dado que la fuerza que ejerce el escape sobre el oscilador es la fuente de error en los relojes de precisión, en general, cuanto más libre sea la acción del escape sobre el oscilador durante su ciclo, mayor será su precisión. Los escapes se clasifican según la cantidad de fuerza (impulso) que ejercen sobre el oscilador durante su ciclo.

• En los escapes de fricción , como el escape de áncora y el escape de palanca , los dientes de la rueda de escape empujan el oscilador durante todo su ciclo, mediante la fricción por deslizamiento sobre las paletas. Esto perturba el oscilador, por lo que estos escapes son menos precisos. ^{[ 39 ] : 144}
• En los escapes de " reposo por fricción ", como el escape dúplex, el cilindro y el escape de reposo , el oscilador solo recibe un impulso durante parte de su ciclo, pero el escape hace contacto por fricción deslizante con el oscilador durante el resto del ciclo. ^{[ 40 ] : 655} Estos pueden ser más precisos, dependiendo de la cantidad de fricción.
• En los escapes " desprendidos ", como el Riefler , el escape de palanca y el escape de cronómetro, el mecanismo de escape no entra en contacto con el oscilador excepto durante el período de impulso en el centro de su oscilación, por lo que estos se encuentran entre los escapes más precisos. ^{[ 39 ] : 114}

Una fuente importante de imprecisión es la fricción entre las partes deslizantes del escape; el diente de la rueda de escape se desliza al empujar la paleta. ^{[ 36 ]} En los relojes de precisión, las superficies de la paleta están hechas de rubíes, principalmente zafiro sintético , cuyas superficies ultraduras tienen solo entre un 10 y un 20 % del coeficiente de fricción del metal sobre metal. Las superficies se lubrican para reducir aún más la fricción. En los escapes más precisos, como el escape de retención , el escape dúplex y el escape coaxial , el diente de la rueda de escape se mueve casi paralelo a la paleta durante el impulso, lo que reduce la fricción y no requiere lubricación. ^{[ 36 ]}

Mecanismo de escape de áncora que muestra la rueda de corona (c), la varilla de áncora (v) y las paletas (p,q). La orientación se muestra para su uso con un péndulo. Cuando se utiliza con un foliot, la rueda y la varilla están en posición vertical.

Córner y foliot del reloj De Vick, construido en 1379, París.

El escape mecánico más antiguo, de finales del siglo XIII, ^{[ 21 ] [ 23 ] : 105} fue el escape de áncora , también conocido como escape de rueda de corona. Se utilizó en los primeros relojes mecánicos y originalmente se controlaba mediante un foliot , una barra horizontal con pesas en ambos extremos. El escape consta de una rueda de escape con forma de corona, con dientes puntiagudos que sobresalen axialmente del lateral, orientados horizontalmente. ^{[ 14 ]} Delante de la rueda de corona hay un eje vertical, unido al foliot en la parte superior, que lleva dos placas metálicas (paletas) que sobresalen como banderas de un mástil, orientadas a unos noventa grados de distancia, de modo que solo una engrana con los dientes de la rueda de corona a la vez. A medida que la rueda gira, un diente empuja contra la paleta superior, haciendo girar el eje y el foliot unido. Cuando el diente pasa la paleta superior, la paleta inferior se balancea hacia la trayectoria de los dientes del otro lado de la rueda. Un diente se engancha en la paleta inferior, haciendo girar el eje en sentido contrario, y el ciclo se repite. Una desventaja del escape era que cada vez que un diente aterrizaba en una paleta, el impulso del foliot empujaba la rueda de corona hacia atrás una corta distancia antes de que la fuerza de la rueda invirtiera el movimiento. Esto se denomina retroceso y era una fuente de desgaste e imprecisión. ^{[ 14 ]}

El escape de áncora fue el único utilizado en relojes durante 350 años. En los relojes de cuerda, requería un caracol para equilibrar la fuerza del muelle principal . Se utilizó en los primeros relojes de péndulo durante unos 50 años después de su invención en 1656. En un reloj de péndulo, la rueda de corona y el eje estaban orientados horizontalmente, y el péndulo colgaba del eje. Sin embargo, el escape de áncora es el menos preciso de los escapes comunes, y tras la introducción del péndulo en la década de 1650, comenzó a ser reemplazado por otros escapes, abandonándose por completo a finales del siglo XIX. Para entonces, la moda de los relojes delgados había exigido que la rueda de escape fuera muy pequeña, lo que amplificaba los efectos del desgaste, y cuando se da cuerda a un reloj de este período hoy en día, a menudo se observa que se adelanta mucho, ganando muchas horas al día.

En 1584, Jost Bürgi inventó el escape de áncora cruzada, una variación del escape de palanca que tenía dos foliots que giraban en direcciones opuestas. ^{[ 42 ]} Según relatos contemporáneos, sus relojes lograron una precisión notable de un minuto por día, ^{[ 42 ]} dos órdenes de magnitud mejor que otros relojes de la época. Sin embargo, esta mejora probablemente no se debió al escape en sí, sino más bien a una mejor mano de obra y a su invención del remontoire , un dispositivo que aislaba el escape de los cambios en la fuerza motriz. ^{[ 42 ]} Sin un muelle de volante, el escape de áncora cruzada no habría sido más isócrono que el escape de palanca. ^{[ 42 ]}

El escape de Galileo es un diseño para un mecanismo de reloj, inventado alrededor de 1637 por el científico italiano Galileo Galilei . Fue el primer diseño de un reloj de péndulo . Dado que ya era ciego, Galileo describió el dispositivo a su hijo , quien hizo un boceto. El hijo comenzó la construcción de un prototipo, pero tanto él como Galileo fallecieron antes de que se completara.

Inventado alrededor de 1657 por Robert Hooke , el áncora (véase la animación) rápidamente reemplazó al escape de áncora y se convirtió en el escape estándar utilizado en los relojes de péndulo hasta el siglo XIX. Su ventaja radicaba en que reducía los amplios ángulos de oscilación del péndulo del escape de áncora a 3–6°, lo que hacía que el péndulo fuera casi isócrono y permitía el uso de péndulos más largos y de movimiento más lento, que consumían menos energía. ^{[ 14 ]} El áncora es responsable de la forma alargada y estrecha de la mayoría de los relojes de péndulo, y del desarrollo del reloj de pie , el primer reloj de áncora que se comercializó, inventado alrededor de 1680 por William Clement, quien disputó la autoría del escape con Hooke. ^{[ 14 ]}

El ancla consta de una rueda de escape con dientes puntiagudos e inclinados hacia atrás, y una pieza pivotada sobre ella, con una forma vagamente parecida a la de un ancla de barco, que oscila de lado a lado, unida al péndulo. El ancla tiene paletas inclinadas en los brazos que se enganchan alternativamente en los dientes de la rueda de escape, recibiendo impulsos. Su funcionamiento es mecánicamente similar al del escape de áncora, y presenta dos de sus desventajas: (1) El péndulo es empujado constantemente por un diente de la rueda de escape durante todo su ciclo, y nunca se le permite oscilar libremente, lo que altera su isocronismo, y (2) es un escape de retroceso ; el ancla empuja la rueda de escape hacia atrás durante parte de su ciclo. Esto provoca holgura , mayor desgaste en los engranajes del reloj e imprecisión. Estos problemas se eliminaron en el escape de áncora muerta , que gradualmente reemplazó al ancla en los relojes de precisión. ^{[ 14 ]}

El escape Graham o de áncora muerta fue una mejora del escape de áncora, creado por primera vez por Thomas Tompion según un diseño de Richard Towneley en 1675, ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} aunque a menudo se le atribuye al sucesor de Tompion, George Graham, quien lo popularizó en 1715. ^{[ 47 ] [ 14 ]} En el escape de áncora, el movimiento del péndulo empuja la rueda de escape hacia atrás durante parte de su ciclo. Este "retroceso" perturba el movimiento del péndulo, causando imprecisión, e invierte la dirección del tren de engranajes, provocando holgura e introduciendo altas cargas en el sistema, lo que genera fricción y desgaste. La principal ventaja del escape de áncora muerta es que elimina el retroceso. ^{[ 14 ]}

En el péndulo muerto, las paletas tienen una segunda cara de "bloqueo" curva, concéntrica alrededor del pivote sobre el que gira el ancla. ^{[ 14 ]} Durante los extremos de la oscilación del péndulo, el diente de la rueda de escape descansa contra esta cara de bloqueo, sin proporcionar impulso al péndulo, lo que evita el retroceso. Cerca del final de la oscilación del péndulo, el diente se desliza desde la cara de bloqueo hacia la cara de "impulso" inclinada, dando al péndulo un empujón, antes de que la paleta libere el diente. El péndulo muerto se utilizó por primera vez en relojes reguladores de precisión, pero debido a su mayor exactitud, reemplazó al ancla en el siglo XIX. ^{[ 14 ]} Se utiliza en casi todos los relojes de péndulo modernos, ^{[ 31 ]} excepto en los relojes de torre, que a menudo utilizan escapes de gravedad.

Inventado alrededor de 1741 por Louis Amant, este escape de áncora muerta puede fabricarse con gran robustez. En lugar de dientes, la rueda de escape tiene pasadores redondos que se detienen y liberan mediante un mecanismo de tijera. Este escape, también conocido como escape Amant o (en Alemania) escape Mannhardt , se utiliza con frecuencia en relojes de torre.

Primer escape de detención de Pierre Le Roy, 1748.

El escape de retención de Earnshaw, ampliamente utilizado en cronómetros.

El escape de áncora o de cronómetro se utilizaba en cronómetros marinos , aunque algunos relojes de precisión de los siglos XVIII y XIX también lo empleaban. ^{[ 48 ]} Se consideraba el más preciso de los escapes de volante antes del comienzo del siglo XX, cuando los cronómetros de escape de palanca comenzaron a superarlo en la competencia. ^{[ 49 ]} La forma primitiva fue inventada por Pierre Le Roy en 1748, quien creó un escape de áncora pivotante, aunque teóricamente era deficiente. ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]} El primer diseño efectivo de escape de áncora fue inventado por John Arnold alrededor de 1775, pero con el áncora pivotante. Este escape fue modificado por Thomas Earnshaw en 1780 y patentado por Wright (para quien trabajaba) en 1783; sin embargo, como se muestra en la patente, era inoperable. Arnold también diseñó un escape de resorte, pero, gracias a las mejoras en el diseño, la versión de Earnshaw acabó imponiéndose, ya que la idea básica sufrió varias modificaciones menores durante la última década del siglo XVIII. La forma definitiva apareció alrededor de 1800, y este diseño se utilizó hasta que los cronómetros mecánicos quedaron obsoletos en la década de 1970.

El escape de retención es un escape separado; permite que el volante oscile sin perturbaciones durante la mayor parte de su ciclo, excepto el breve período de impulso, que se produce solo una vez por ciclo (en cada oscilación alterna). ^{[ 50 ]} Debido a que el diente de la rueda de escape motriz se mueve casi paralelo a la paleta, el escape tiene poca fricción y no necesita lubricación. Por estas razones, entre otras, el escape de retención se consideraba el escape más preciso para los relojes de volante. ^{[ 53 ]} John Arnold fue el primero en utilizar el escape de retención con un muelle espiral de volante (patentado en 1782), y con esta mejora sus relojes fueron los primeros cronómetros de bolsillo verdaderamente precisos, manteniendo la hora con una desviación de 1 o 2 segundos por día. Estos se produjeron a partir de 1783.

Sin embargo, el escape presentaba desventajas que limitaban su uso en relojes: era frágil y requería un mantenimiento especializado; no era autoarrancable, por lo que si el reloj sufría un golpe durante su uso y el volante se detenía, no volvería a arrancar; y era más difícil de fabricar en serie. Por consiguiente, el escape de áncora autoarrancable se convirtió en el mecanismo dominante en la relojería.

Escape de cilindro. El volante está unido al cilindro (B).

Animación del escape del cilindro que muestra cómo funciona la parte del cilindro.

El escape horizontal o cilíndrico, inventado por Thomas Tompion en 1695 ^{[ 54 ]} y perfeccionado por George Graham en 1726, ^{[ 55 ]} fue uno de los escapes que reemplazó al escape de áncora en los relojes de bolsillo después de 1700. Una de sus principales ventajas era que era mucho más delgado que el escape de áncora, lo que permitía fabricar relojes elegantemente delgados. Los relojeros descubrieron que sufría un desgaste excesivo, por lo que no se utilizó mucho durante el siglo XVIII, excepto en algunos relojes de alta gama con cilindros de rubí . Los franceses resolvieron este problema fabricando el cilindro y la rueda de escape de acero endurecido , ^{[ 54 ]} y el escape se utilizó ampliamente en relojes de bolsillo y pequeños relojes franceses y suizos económicos desde mediados del siglo XIX hasta el siglo XX.

En lugar de paletas, el escape utiliza un cilindro recortado en el eje del volante, en el que entran los dientes de escape uno a uno. ^{[ 54 ] [ 55 ]} Cada diente en forma de cuña impulsa el volante mediante la presión sobre el borde del cilindro al entrar, se mantiene dentro del cilindro mientras gira y vuelve a impulsar el volante al salir por el otro lado. El volante solía tener 15 dientes e impulsaba el volante en un ángulo de 20° a 40° en cada dirección. ^{[ 54 ]} Es un escape de reposo por fricción, con los dientes en contacto con el cilindro durante todo el ciclo del volante, por lo que no era tan preciso como los escapes "desprendidos" como el de palanca, y las altas fuerzas de fricción causaban un desgaste excesivo y requerían una limpieza más frecuente. ^{[ 55 ]}

El escape de doble áncora fue inventado por Robert Hooke alrededor de 1700, mejorado por Jean Baptiste Dutertre y Pierre Le Roy , y perfeccionado por Thomas Tyrer, quien lo patentó en 1782. ^{[ 56 ]} Las primeras versiones tenían dos ruedas de escape. El escape de doble áncora era difícil de fabricar, pero lograba una precisión mucho mayor que el escape de cilindro; podía igualar la del escape de palanca (inicial) y, cuando se fabricaba con cuidado, era casi tan bueno como un escape de retención. ^{[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]} Se utilizó en relojes de bolsillo ingleses de calidad desde aproximadamente 1790 hasta 1860, ^{[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]} y en el Waterbury, un reloj estadounidense económico para el público en general, durante 1880-1898. ^{[ 62 ] [ 63 ]}

En el escape dúplex, como en el escape de cronómetro con el que guarda similitudes, el volante solo recibe un impulso durante una de las dos oscilaciones de su ciclo. ^{[ 59 ]} La rueda de escape tiene dos juegos de dientes (de ahí el nombre de "dúplex"); los dientes de bloqueo largos sobresalen del lateral de la rueda, y los dientes de impulso cortos se elevan axialmente desde la parte superior. El ciclo comienza con un diente de bloqueo apoyado contra el disco de rubí. A medida que el volante oscila en sentido antihorario pasando por su posición central, la muesca del disco de rubí libera el diente. Al girar la rueda de escape, la paleta se encuentra en la posición precisa para recibir un impulso de un diente de impulso. Entonces, el siguiente diente de bloqueo cae sobre el rodillo de rubí y permanece allí mientras el volante completa su ciclo y oscila de nuevo en sentido horario, y el proceso se repite. Durante la oscilación en sentido horario, el diente de impulso cae momentáneamente de nuevo en la muesca del rodillo de rubí, pero no se libera.

El escape dúplex es técnicamente un escape de reposo por fricción ; el diente que descansa contra el rodillo añade cierta fricción al volante durante su oscilación ^{[ 59 ] [ 64 ]} , pero esta es mínima. Al igual que en el cronómetro, hay poca fricción de deslizamiento durante el impulso, ya que la paleta y el diente de impulso se mueven casi en paralelo, por lo que se necesita poca lubricación. ^{[ 65 ]} Sin embargo, perdió popularidad frente al escape de áncora; sus tolerancias ajustadas y su sensibilidad a los golpes hicieron que los relojes dúplex no fueran adecuados para personas activas. Al igual que el cronómetro, no es autoarrancable y es vulnerable a la "ajuste": si un golpe repentino detiene el volante durante su oscilación en sentido horario, no puede reiniciarse.

Escape de palanca en línea o suizo

Animación del escape de palanca que muestra únicamente el movimiento de la palanca.

El escape de áncora , inventado por Thomas Mudge en 1750, se ha utilizado en la gran mayoría de los relojes desde el siglo XIX. Sus ventajas son: (1) es un escape "desprendido", en el que (a diferencia de los escapes de cilindro o dúplex) el volante solo está en contacto con la áncora durante el breve período de impulso cuando oscila a través de su posición central y oscila libremente el resto de su ciclo, aumentando la precisión; y (2) es un escape de arranque automático, por lo que si el volante se detiene porque el reloj se agita, volverá a arrancar automáticamente. La forma original era el escape de áncora de cremallera, en el que la áncora y el volante siempre estaban en contacto a través de una cremallera en la áncora. Más tarde, se descubrió que todos los dientes de los engranajes podían quitarse excepto uno, y esto creó el escape de áncora desprendida. Los relojeros británicos utilizaron la áncora desprendida inglesa, en la que la áncora estaba en ángulo recto con respecto al volante. Más tarde, los fabricantes suizos y estadounidenses utilizaron la áncora en línea, en la que la áncora está en línea entre el volante y la rueda de escape; Esta es la forma que se utiliza en los relojes modernos. En 1798, Louis Perron inventó una forma más económica y menos precisa llamada escape de paletas , que se utilizó en los relojes baratos de principios del siglo XX y que todavía se usa en despertadores y temporizadores de cocina económicos. ^{[ 66 ]}

Diagrama de escape del saltamontes (1820)

Animación de una forma de escape de saltamontes

Un escape mecánico raro pero interesante es el escape de saltamontes de John Harrison , inventado en 1722. En este escape, el péndulo es impulsado por dos brazos articulados (paletas). A medida que el péndulo oscila, el extremo de un brazo engancha la rueda de escape y la impulsa ligeramente hacia atrás; esto libera el otro brazo, que se aparta para permitir el paso de la rueda de escape. Cuando el péndulo vuelve a oscilar, el otro brazo engancha la rueda, la empuja hacia atrás y libera el primer brazo, y así sucesivamente. El escape de saltamontes se ha utilizado en muy pocos relojes desde la época de Harrison. Los escapes de saltamontes fabricados por Harrison en el siglo XVIII todavía funcionan. La mayoría de los escapes se desgastan mucho más rápido y desperdician mucha más energía. Sin embargo, al igual que otros escapes antiguos, el de saltamontes impulsa el péndulo durante todo su ciclo; nunca se le permite oscilar libremente, lo que causa errores debido a variaciones en la fuerza de accionamiento, ^{[ 67 ]} y los relojeros del siglo XIX lo consideraron poco competitivo frente a escapes más separados como el de áncora muerta. ^{[ 68 ] [ 67 ]} Sin embargo, con suficiente cuidado en su construcción , es capaz de ser preciso. Un reloj experimental moderno de saltamontes, el Reloj Burgess B, tuvo un error de medición de solo 5/8 de segundo durante 100 días de funcionamiento. ^{[ 69 ]} Después de dos años de funcionamiento, tuvo un error de solo ±0,5 segundos, después de la corrección barométrica. ^{[ 70 ] [ 71 ]}

Un escape de gravedad utiliza un pequeño peso o un resorte débil para impulsar directamente el péndulo. La forma más antigua consistía en dos brazos que pivotaban muy cerca del resorte de suspensión del péndulo, uno a cada lado. Cada brazo sostenía una pequeña paleta de retroceso con un plano inclinado que la conectaba. Cuando el péndulo elevaba un brazo lo suficiente, su paleta liberaba la rueda de escape. Casi de inmediato, otro diente de la rueda de escape comenzaba a deslizarse por la cara inclinada del otro brazo, elevándolo. Este alcanzaba la paleta y se detenía. Mientras tanto, el otro brazo seguía en contacto con el péndulo y descendía nuevamente a un punto más bajo del que había comenzado. Este descenso del brazo proporciona el impulso al péndulo.

El diseño se desarrolló progresivamente desde mediados del siglo XVIII hasta mediados del siglo XIX. Finalmente, se convirtió en el escape preferido para los relojes de torre , ya que sus trenes de engranajes están sometidos a grandes variaciones en la fuerza motriz causadas por las grandes manecillas exteriores, con sus correspondientes variaciones de viento, nieve y hielo. Dado que en un escape de gravedad la fuerza motriz del tren de engranajes no impulsa directamente el péndulo, sino que simplemente restablece las pesas que proporcionan el impulso, el escape no se ve afectado por las variaciones en la fuerza motriz.

El escape de gravedad de doble tríceps que se muestra aquí es un tipo de escape ideado por primera vez por un abogado llamado Bloxam y posteriormente mejorado por Lord Grimthorpe . Es el estándar para todos los relojes de torre precisos. En la animación, los dos brazos de gravedad están coloreados de azul y rojo. Las dos ruedas de escape de tres patas también están coloreadas de azul y rojo. Funcionan en dos planos paralelos, de modo que la rueda azul solo impacta el bloque de bloqueo del brazo azul y la rueda roja solo impacta el brazo rojo. En un escape real, estos impactos producen fuertes chasquidos audibles (indicados en la animación por la aparición de un asterisco (*) junto a los bloques de bloqueo). Los tres pasadores elevadores negros son clave para el funcionamiento del escape. Elevan los brazos de gravedad con peso una distancia indicada por el par de líneas paralelas a cada lado del escape. Esta ganancia de energía potencial es la energía que se le transmite al péndulo en cada ciclo. En el reloj del Trinity College de Cambridge , una masa de unos 50  gramos se eleva 3  mm cada 1,5 segundos, lo que equivale a 1  mW de potencia. La potencia motriz de la caída del peso es de unos 12  mW, por lo que se utiliza un exceso considerable de potencia para accionar el escape. Gran parte de esta energía se disipa en la aceleración y desaceleración del volante de fricción unido a las ruedas de escape. El gran reloj de la Torre Elizabeth en Westminster, que hace sonar el Big Ben de Londres , utiliza un escape de gravedad doble de tres patas.

Escape coaxial

Animación del escape coaxial

Inventado alrededor de 1974 ^{[ 72 ]} y patentado en 1980 ^{[ 73 ]} por el relojero británico George Daniels , el escape coaxial es uno de los pocos escapes de reloj nuevos adoptados comercialmente en los tiempos modernos.

Podría considerarse que tiene sus orígenes lejanos en el escape inventado por Robert Robin alrededor de 1792, que produce un único impulso en una dirección. Sin embargo, con el bloqueo logrado mediante paletas de palanca pasivas, ^{[ 74 ]} el diseño del escape coaxial se asemeja más al escape Fasoldt (otra variante de Robin), que fue inventado y patentado por el estadounidense Charles Fasoldt en 1859. ^{[ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]} Tanto el escape Robin como el escape Fasoldt producen impulso en una sola dirección.

El escape Fasoldt cuenta con una palanca de caídas desiguales que acciona dos ruedas de escape de diámetros diferentes. La rueda de impulso más pequeña actúa sobre la paleta única situada en el extremo de la palanca, mientras que las paletas de la palanca, de punta afilada, bloquean la rueda más grande. El volante se acopla a la palanca y es impulsado por ella mediante un pasador y una horquilla. La paleta de anclaje de la palanca bloquea la rueda más grande; al desbloquearse, una paleta en el extremo de la palanca recibe un impulso de la rueda más pequeña a través de la horquilla. El movimiento de retorno es estático, y las paletas de anclaje solo sirven para bloquear y desbloquear, recibiendo el impulso en una sola dirección a través de la paleta de la palanca. Al igual que en el escape dúplex, la rueda de bloqueo es más grande para reducir la presión y, por lo tanto, la fricción.

El escape coaxial de Daniels, sin embargo, logra un doble impulso con paletas de palanca pasivas que sirven únicamente para bloquear y desbloquear la rueda más grande. Por un lado, el impulso se genera mediante la rueda más pequeña que actúa sobre la paleta de palanca a través del rodillo y el pasador de impulso. Al regresar, la palanca desbloquea nuevamente la rueda más grande, que a su vez genera un impulso directamente sobre un rodillo de impulso en el eje del volante.

La principal ventaja es que esto permite que ambos impulsos se produzcan sobre o cerca de la línea central, con fricción de desacoplamiento en ambas direcciones. Este modo de impulso es, en teoría, superior al escape de palanca, que presenta fricción de acoplamiento en la paleta de entrada. Durante mucho tiempo, esto se consideró una influencia perturbadora en el isocronismo del volante. ^{[ 78 ] [ 79 ]}

Los compradores ya no adquieren relojes mecánicos principalmente por su precisión, por lo que los fabricantes tenían poco interés en invertir en las herramientas necesarias para fabricar escapes coaxiales; aunque finalmente Omega lo adoptó en 1990. ^{[ 79 ]}

Dado que los relojes de cuarzo de bajo coste pueden alcanzar una precisión mucho mayor que cualquier reloj mecánico, los diseños de escape mejorados ya no responden a necesidades prácticas de cronometraje, sino que se presentan como novedades en el mercado de la alta relojería. En un intento por atraer publicidad, en las últimas décadas algunos fabricantes de relojes mecánicos de alta gama han introducido nuevos escapes. Sin embargo, ninguno de ellos ha sido adoptado por otros fabricantes, más allá de su creador original.

Basándose en patentes presentadas inicialmente por Rolex en nombre del inventor Nicolas Déhon, ^{[ 80 ]} el escape constante fue desarrollado por Girard-Perregaux como prototipos funcionales en 2008 (Déhon era entonces jefe del departamento de I+D de Girard-Perregaux) y en relojes en 2013.

El componente clave de este escape es una lámina de silicio deformada que almacena energía elástica . Esta lámina se flexiona hasta un punto cercano a su estado inestable y se libera instantáneamente con cada oscilación del volante para darle un impulso, tras lo cual el tren de engranajes la vuelve a cargar. La ventaja que se le atribuye es que, dado que la lámina transmite la misma cantidad de energía al volante en cada liberación, este queda aislado de las variaciones en la fuerza de impulso debidas al tren de engranajes y al muelle real, que provocan imprecisiones en los escapes convencionales.

Parmigiani Fleurier, con su escape Genequand, y Ulysse Nardin, con su escape Ulysse Anchor, han aprovechado las propiedades de los muelles planos de silicio. El relojero independiente De Bethune ha desarrollado un concepto en el que un imán hace vibrar un resonador a alta frecuencia , sustituyendo el muelle de volante tradicional . ^{[ 81 ]}

En 1843, Matthäus Hipp mencionó por primera vez un reloj puramente mecánico accionado por un interruptor llamado "echappement à palette". ^{[ 82 ]} Una versión modificada de ese escape se ha utilizado desde la década de 1860 dentro de los relojes de péndulo accionados eléctricamente, el llamado "hipp-toggle". ^{[ 83 ]} Desde la década de 1870, en una versión mejorada, el péndulo accionaba una rueda de trinquete a través de un trinquete en la varilla del péndulo, y la rueda de trinquete accionaba el resto del tren del reloj para indicar la hora. El péndulo no se impulsaba en cada oscilación ni siquiera a intervalos de tiempo fijos; solo se impulsaba cuando su arco de oscilación había disminuido por debajo de cierto nivel. Además del trinquete de conteo, el péndulo llevaba una pequeña paleta, conocida como Hipp's toggle, pivotada en la parte superior, que podía oscilar completamente libre. Se colocó de manera que rozara un bloque triangular pulido con una ranura en forma de V en la parte superior. Cuando el arco de oscilación del péndulo era suficientemente amplio, la paleta cruzaba la ranura y oscilaba libremente al otro lado. Si el arco era demasiado pequeño, la paleta nunca abandonaba el otro lado de la ranura, y cuando el péndulo volvía a oscilar, empujaba el bloque con fuerza hacia abajo. El bloque tenía un contacto que completaba el circuito del electroimán que impulsaba el péndulo. El péndulo solo se impulsaba cuando era necesario.

Este tipo de reloj se utilizaba ampliamente como reloj maestro en grandes edificios para controlar numerosos relojes secundarios. La mayoría de las centrales telefónicas utilizaban un reloj similar para controlar eventos programados, como el establecimiento y la facturación de llamadas telefónicas, mediante la emisión periódica de pulsos de duración variable, por ejemplo, cada segundo.

Diseñado en 1895 por Frank Hope-Jones , el interruptor Synchronome y el escape de gravedad fueron la base de la mayoría de los relojes de la Synchronome Company en el siglo XX, ^{[ 84 ]} así como la base del péndulo esclavo en el reloj de péndulo libre Shortt-Synchronome . ^{[ 85 ]} Un brazo de recogida unido al péndulo mueve una rueda de conteo de 15 dientes en una posición, con un trinquete que impide el movimiento en sentido inverso. La rueda tiene una paleta que, una vez por cada giro de 30 segundos, libera el brazo de gravedad. Cuando el brazo de gravedad cae, empuja contra una paleta unida directamente al péndulo. Una vez que el brazo ha caído, hace un contacto eléctrico que energiza un electroimán para reiniciar el brazo de gravedad y actúa como el impulso de medio minuto para los relojes esclavos. ^{[ 86 ]}

En el siglo XX, el relojero inglés William Hamilton Shortt inventó un reloj de péndulo libre, patentado en septiembre de 1921 y fabricado por la Synchronome Company, con una precisión de una centésima de segundo al día. En este sistema, el péndulo maestro, cuya varilla está hecha de una aleación especial de acero y níquel ( Invar ) y cuya longitud varía muy poco con la temperatura, oscila lo más libre posible de influencias externas, sellado en una cámara de vacío ; prácticamente no realiza trabajo . Está en contacto mecánico con su escape solo durante una fracción de segundo cada 30 segundos. Un péndulo secundario, el esclavo, hace girar un trinquete, que activa un electroimán con una frecuencia ligeramente inferior a cada 30 segundos. Este electroimán libera una palanca de gravedad sobre el escape, situada sobre el péndulo maestro. Una fracción de segundo después (pero exactamente cada 30 segundos), el movimiento del péndulo maestro libera la palanca de gravedad para que caiga más lejos. En este proceso, la palanca de gravedad da un pequeño impulso al péndulo maestro, que lo mantiene oscilando. La palanca de gravedad cae sobre un par de contactos, completando un circuito que (1) energiza un segundo electroimán para elevar la palanca de gravedad por encima del péndulo maestro hasta su posición superior, (2) envía un pulso para activar uno o más diales del reloj y (3) envía un pulso a un mecanismo de sincronización que mantiene el péndulo esclavo sincronizado con el péndulo maestro.

Dado que es el péndulo esclavo el que libera la palanca de gravedad, esta sincronización es vital para el funcionamiento del reloj. El mecanismo de sincronización utilizaba un pequeño resorte unido al eje del péndulo esclavo y una armadura electromagnética que atrapaba el resorte si el péndulo esclavo se retrasaba ligeramente, acortando así el período del péndulo esclavo en una oscilación. El péndulo esclavo se ajustaba para que se retrasara ligeramente, de modo que en aproximadamente cada dos pulsos de sincronización, la armadura atrapaba el resorte. ^{[ 87 ]}

Esta forma de reloj se convirtió en un estándar para su uso en observatorios (se fabricaron aproximadamente 100 de estos relojes ^{[ 88 ]} ) y fue el primer reloj capaz de detectar pequeñas variaciones en la velocidad de rotación de la Tierra .