Reloj mecánico

El muelle real que da vida al reloj, una cinta espiral de acero para muelles, se encuentra dentro de un barrilete cilíndrico , cuyo extremo exterior está unido a este. La fuerza del muelle real hace girar el barrilete. Este barrilete tiene dientes de engranaje en su exterior que hacen girar la rueda central una vez por hora; esta rueda tiene un eje que atraviesa la esfera. En el lado de la esfera , el piñón central está fijado mediante un ajuste por fricción (lo que permite que se deslice al ajustar las manecillas) y la manecilla de los minutos está unida al piñón central. El piñón central acciona un pequeño engranaje reductor de 12:1 llamado mecanismo de movimiento , que hace girar la rueda y la manecilla de las horas una vez por cada 12 revoluciones de la manecilla de los minutos.

Para la misma frecuencia de oscilación, la duración de la marcha, el tiempo de funcionamiento o la reserva de marcha de un reloj mecánico depende principalmente del tamaño del muelle real utilizado, lo que, a su vez, depende de la cantidad de energía necesaria y del espacio disponible. Si el movimiento está sucio o desgastado, la energía puede no transferirse eficientemente del muelle real al escape. El mantenimiento puede ayudar a restaurar un tiempo de funcionamiento degradado. La mayoría de los movimientos de relojes mecánicos tienen una duración de entre 36 y 72 horas. Algunos movimientos de relojes mecánicos pueden funcionar durante una semana. La duración exacta de la marcha de un movimiento mecánico se calcula con la fórmula ${\displaystyle n_{2}={\frac {n_{1}\cdot z_{1}}{z_{2}}}}$^{[ 10 ]} donde${\displaystyle z_{1}}$es el número de dientes del cañón,${\displaystyle z_{2}}$es el número de hojas del piñón central,${\displaystyle n_{1}}$es el número de revoluciones del cañón, y${\displaystyle n_{2}}$es el número de revoluciones del piñón central – la duración de la carrera.

La rueda central acciona el piñón de la tercera rueda, y la tercera rueda acciona el piñón de la cuarta rueda. En los relojes con segundero en una subesfera, generalmente ubicada encima de las 6 en punto, la cuarta rueda está dentada para girar una vez por minuto, y el segundero está unido directamente al eje de esta rueda.

La cuarta rueda también acciona la rueda de escape del escape de áncora . Los dientes de la rueda de escape se enganchan alternativamente en dos dedos llamados paletas en los brazos de la palanca de paletas , que oscila hacia adelante y hacia atrás. El otro extremo de la palanca tiene una horquilla que se acopla con un pasador de impulso vertical en el eje del volante . Cada vez que el volante pasa por su posición central, desbloquea la palanca, lo que libera un diente de la rueda de escape, permitiendo que las ruedas del reloj avancen una cantidad fija, moviendo las agujas hacia adelante. A medida que la rueda de escape gira, su diente empuja contra la palanca, lo que le da al volante un breve impulso, manteniéndolo oscilando.

El volante es el encargado de medir el tiempo en un reloj. Consta de una rueda pesada que gira de un lado a otro y que regresa a su posición central gracias a un fino muelle espiral, el muelle espiral o "muelle de volante" . La rueda y el muelle juntos constituyen un oscilador armónico . La masa del volante, combinada con la rigidez del muelle, controla con precisión el período de cada oscilación o "golpe" de la rueda. El período de oscilación de un volante, T en segundos, es el tiempo necesario para un ciclo completo (dos golpes).

${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {I}{\kappa }}}\,}$

dónde${\displaystyle I\,}$es el momento de inercia de la rueda en kilogramo-metro ² y${\displaystyle \kappa \,}$es la rigidez ( constante elástica ) de su espiral en newton-metros por radián. La mayoría de las ruedas de volante de los relojes oscilan a 5, 6, 8 o 10 alternancias por segundo. Esto se traduce en 2,5, 3, 4 y 5  Hz respectivamente, o 18000, 21 600, 28 800 y 36 000 alternancias por hora (APH). En la mayoría de los relojes hay una palanca reguladora en la espiral que se utiliza para ajustar la marcha del reloj. Tiene dos pasadores que sujetan la última vuelta de la espiral, manteniendo inmóvil la parte que está detrás de los pasadores, por lo que la posición de los pasadores determina la longitud de la espiral. Al mover la palanca reguladora, los pasadores se deslizan hacia arriba o hacia abajo a lo largo de la espiral para controlar su longitud efectiva. Al deslizar los pasadores hacia arriba, acortando la longitud de la espiral, esta se vuelve más rígida, aumentando${\displaystyle \kappa \,}$En la ecuación anterior, disminuyendo el período de la rueda.${\displaystyle T\,}$de modo que se balancea de un lado a otro más rápido, lo que hace que el reloj funcione más rápido.

Un conjunto independiente de engranajes, denominado mecanismo de cuerda, da cuerda al muelle real al girar la corona , y al extraerla ligeramente, permite girar las agujas para ajustar el reloj. El vástago unido a la corona tiene un engranaje llamado rueda dentada o rueda de castillo , con dos anillos dentados que sobresalen axialmente de los extremos. Al presionar el vástago, los dientes exteriores hacen girar la rueda de trinquete situada sobre el barrilete del muelle real, la cual hace girar el eje al que está unido el extremo interior del muelle, tensándolo alrededor del eje. Un trinquete o clic accionado por resorte presiona contra los dientes del trinquete, impidiendo que el muelle real se desenrolle. Al extraer el vástago, los dientes interiores de la rueda de castillo engranan con un engranaje que hace girar la rueda de los minutos. Al girar la corona, el acoplamiento por fricción del piñón central permite girar las agujas.

Si el segundero es coaxial con las manecillas de las horas y los minutos, es decir, si pivota en el centro de la esfera, esta disposición se denomina "segundero central" o "segundero de barrido", porque el segundero recorre la pista de los minutos en la esfera.

Inicialmente, el segundero central se accionaba mediante la tercera rueda, a veces a través de una rueda intermedia, con el engranaje situado en la parte exterior de la placa superior. Este método de accionamiento del segundero se denomina segundero central indirecto. Debido a que el engranaje se encontraba fuera de las placas, aumentaba el grosor del mecanismo, y como la rotación de la tercera rueda debía estar acelerada para hacer girar el segundero una vez por minuto, este presentaba un movimiento oscilante. ^{[ 11 ]}

En 1948, Zenith presentó un reloj con un tren de engranajes rediseñado, donde la cuarta rueda se ubicaba en el centro del movimiento, lo que permitía accionar directamente el segundero central. La rueda de los minutos, que anteriormente se encontraba en el centro del movimiento, se descentró y accionaba el minutero indirectamente. Cualquier oscilación debida al engranaje indirecto queda disimulada por el movimiento relativamente lento del minutero. Este rediseño situó todo el tren de engranajes entre las placas y permitió un movimiento más delgado. ^{[ 12 ]}

Las joyas cumplen dos funciones en un reloj. ^{[ 17 ]} Primero, la reducción de la fricción puede aumentar la precisión. La fricción en los cojinetes del tren de engranajes y el escape provoca ligeras variaciones en los impulsos aplicados al volante , lo que causa variaciones en la precisión del cronometraje. La baja y predecible fricción de las superficies de las joyas reduce estas variaciones. Segundo, pueden aumentar la vida útil de los cojinetes. En los cojinetes sin joyas, los pivotes de las ruedas del reloj giran en orificios en las placas que soportan el movimiento. La fuerza lateral aplicada por el engranaje impulsor causa mayor presión y fricción en un lado del orificio. En algunas ruedas, el eje giratorio puede desgastar el orificio hasta que adquiere una forma ovalada, lo que eventualmente provoca que el engranaje se atasque y el reloj se detenga.

En el escape , se utilizan joyas para las partes que funcionan por fricción deslizante: ^{[ 17 ]}

• Paletas: Son las superficies rectangulares anguladas de la palanca que son empujadas por los dientes de la rueda de escape. Son la principal fuente de fricción en el mecanismo de un reloj y fueron uno de los primeros lugares donde se colocaron rubíes.
• Pasador de impulso: Pasador descentrado en un disco del eje del volante que es empujado por la horquilla de la palanca para mantener el volante en movimiento.

En los rodamientos se utilizan dos tipos diferentes:

• Joyas de orificio: se trata de cojinetes de manguito con forma de rosquilla que se utilizan para soportar el eje (mango) de la mayoría de las ruedas.
• Remates o rubíes de tapa: Cuando el eje de una rueda está en posición vertical, el hombro del eje presiona contra el lateral del rubí, aumentando la fricción. Esto provoca que la marcha del reloj varíe en diferentes posiciones. Por ello, en cojinetes donde la fricción es crítica, como los pivotes del volante, se añaden remates planos en cada extremo del eje. Cuando el eje está en posición vertical, su extremo redondeado presiona contra la superficie del remate, reduciendo la fricción.

El número de rubíes utilizados en los movimientos de los relojes aumentó en los últimos 150 años a medida que el engaste se abarató y los relojes se volvieron más precisos. Los únicos cojinetes que realmente necesitan ser engastados en un reloj son los del tren de engranajes —el tren de engranajes que transmite la fuerza del barrilete del muelle real al volante— ya que solo estos están sometidos constantemente a la fuerza del muelle real. ^{[ 21 ]} Las ruedas que mueven las agujas (el mecanismo de movimiento ) y las ruedas del calendario no están sometidas a carga, mientras que las que dan cuerda al muelle real (el mecanismo sin llave ) se utilizan muy raramente, por lo que no se desgastan significativamente. La fricción tiene el mayor efecto en las ruedas que se mueven más rápido, por lo que son las que más se benefician del engaste. Así, el primer mecanismo en ser engastado en los relojes fueron los pivotes del volante, seguidos por el escape . A medida que se añadieron más cojinetes engastados, se aplicaron a las ruedas que se movían más lentamente, y el engaste progresó a lo largo del tren de engranajes hacia el barrilete. Un reloj de 17 rubíes tiene todos los cojinetes, desde el volante hasta el pivote de la rueda central, engastados con rubíes, por lo que se consideraba un reloj «totalmente engastado con rubíes». ^{[ 18 ]} En los relojes de calidad, para minimizar el error de posición, se añadían tapas a los cojinetes de la palanca y la rueda de escape, lo que daba un total de 21 rubíes. Incluso el eje del barrilete del muelle real a veces estaba engastado con rubíes, lo que hacía un total de 23. Cuando se introdujeron los relojes automáticos en la década de 1950, varias ruedas del mecanismo de cuerda automática se engastaron con rubíes, aumentando el número a 25-27.

Es dudoso que añadir rubíes a los ya mencionados sea realmente útil en un reloj. ^{[ 22 ]} No aumenta la precisión, puesto que las únicas ruedas que influyen en el volante, las del tren de engranajes , ya están engastadas con rubíes. Los cronómetros marinos , los relojes portátiles más precisos, suelen tener solo 7 rubíes. Tampoco engastar rubíes en cojinetes adicionales aumenta la vida útil del mecanismo; como se mencionó anteriormente, la mayoría de las demás ruedas no sufren suficiente desgaste como para necesitarlos.

Sin embargo, a principios del siglo XX, los mecanismos de los relojes se habían estandarizado hasta tal punto que apenas existían diferencias entre ellos, salvo la calidad de la mano de obra. Así, los fabricantes de relojes convirtieron el número de rubíes, uno de los pocos indicadores que diferenciaban los relojes de calidad, en un importante argumento publicitario, mostrándolo de forma destacada en la esfera. Los consumidores, con pocas otras referencias, aprendieron a asociar un mayor número de rubíes con una mayor calidad. Si bien inicialmente este era un buen indicador de calidad, incentivó a los fabricantes a aumentar la cantidad de rubíes.

Hacia la década de 1960, esta «fiebre de las joyas» alcanzó nuevas cotas, y los fabricantes crearon relojes con 41, 53, 75 o incluso 100 joyas. ^{[ 21 ] [ 22 ]} La mayoría de estas joyas adicionales eran totalmente no funcionales; nunca entraban en contacto con las piezas móviles y se incluían simplemente para aumentar el número de joyas. Por ejemplo, el reloj Waltham de 100 joyas consistía en un movimiento ordinario de 17 joyas, con 83 diminutas piezas de rubí montadas alrededor del rotor de cuerda automática. ^{[ 23 ]}

En 1974, la Organización Internacional de Normalización (ISO), en colaboración con la organización suiza de normalización de la industria relojera Normes de l'Industrie Horlogère Suisse (NIHS), publicó la norma ISO 1112, que prohibía a los fabricantes incluir rubíes no funcionales en el recuento de rubíes en la publicidad y la literatura de ventas. Esto puso fin al uso de rubíes totalmente no funcionales. Sin embargo, algunos expertos afirman que los fabricantes han seguido inflando el recuento de rubíes de sus relojes mediante la adición de rubíes funcionales a ruedas que realmente no los necesitan, aprovechando las lagunas de la norma ISO 1112. ^{[ 22 ]} Entre los ejemplos citados se incluyen la adición de tapas a los cojinetes de la tercera y cuarta rueda, la adición de rubíes a los cojinetes de la rueda de los minutos y los trinquetes de cuerda automática . Es probable que ninguna de estas adiciones aumente la precisión ni la durabilidad del reloj.