Escape de âncora - Anchor escapement
Na relojoaria , o escapamento de âncora é um tipo de escapamento usado em relógios de pêndulo . O escapamento é um mecanismo em um relógio mecânico que mantém a oscilação do pêndulo , dando-lhe um pequeno empurrão a cada balanço, e permite que as rodas do relógio avancem uma quantidade fixa a cada balanço, movendo os ponteiros do relógio para frente. O escapamento da âncora recebeu esse nome porque uma de suas partes principais tem a forma vagamente semelhante à de uma âncora de navio.
O escapamento da âncora foi provavelmente inventado pelo cientista britânico Robert Hooke por volta de 1657, embora algumas referências atribuam o crédito ao relojoeiro William Clement, que popularizou a âncora em sua invenção da caixa longa ou relógio de pêndulo por volta de 1680. Quando o relógio de Clemente apareceu, Hooke reivindicou a invenção do escapamento, dizendo que havia mostrado um relógio com o mesmo escape para a Royal Society logo após o grande incêndio de 1666. O relógio âncora mais antigo conhecido é o Wadham College Clock , um relógio de torre construído no Wadham College , Oxford , em 1670, provavelmente pelo relojoeiro Joseph Knibb . A âncora tornou-se o escapamento padrão usado em quase todos os relógios de pêndulo.
Uma variação mais precisa, sem recuo, chamada de escape deadbeat, foi inventada por Richard Towneley por volta de 1675 e introduzida pelo relojoeiro britânico George Graham por volta de 1715. Isso gradualmente substituiu o escape de âncora comum e é usado na maioria dos relógios de pêndulo modernos.
Como funciona
O escapamento da âncora consiste em duas partes: a roda de escape , que é uma roda vertical com dentes pontiagudos, semelhantes a dentes de serra , e a âncora , vagamente formada como uma âncora de navio, que oscila para frente e para trás em um pivô logo acima da fuga roda. Nos dois braços da âncora existem faces curvas contra as quais os dentes da roda de escape empurram, denominadas paletes . O eixo central da âncora é preso a um garfo empurrado pelo pêndulo , de modo que a âncora oscila para frente e para trás, com os paletes alternadamente pegando e liberando um dente da roda de escape de cada lado.
Cada vez que um palete se afasta da roda de escape, liberando um dente, a roda gira e um dente do outro lado fica preso no outro palete, que está se movendo em direção à roda. O impulso do pêndulo continua a mover o segundo palete em direção à roda, empurrando a roda de escape para trás por uma distância, até que o pêndulo inverta a direção e o palete comece a se afastar da roda, com o dente deslizando ao longo de sua superfície, empurrando-o . Em seguida, o dente desliza para fora do palete, reiniciando o ciclo.
Nem o escapamento da âncora nem a forma calote, abaixo, são autoiniciadores. O pêndulo deve receber um balanço para fazê-los andar.
Recuo
O movimento para trás da roda de escape durante parte do ciclo, denominado recuo , é uma das desvantagens do escape da âncora. Isso resulta em uma reversão temporária de todo o trem de roda de volta ao peso de tração a cada tique do relógio, causando desgaste extra no trem de roda, desgaste excessivo dos dentes da engrenagem e imprecisão. Também pode fazer com que as pontas dos dentes da roda de escape cravem na superfície do palete. Os dentes são inclinados para trás, no sentido oposto ao da rotação, e a superfície dos paletes é ligeiramente convexa, para evitar isso.
Outra razão pela qual os dentes da roda de escape estão inclinados para trás é uma medida de segurança. Se o relógio for movido sem imobilizar o pêndulo, o balanço descontrolado do pêndulo pode fazer com que os paletes da âncora colidam violentamente com a roda de escape. Os dentes inclinados garantem que as faces planas dos paletes de ancoragem atinjam primeiro as laterais dos dentes, protegendo as pontas delicadas de serem quebradas.
O escape deadbeat (abaixo) não tem recuo. Uma maneira de determinar se um relógio de pêndulo antigo tem uma âncora ou escape é observar o ponteiro dos segundos. Se ele se mover ligeiramente para trás após cada tique, mostrando recuo, o relógio terá um escape de âncora.
Muleta e garfo
A haste da âncora, chamada de muleta, termina em um garfo que envolve a haste do pêndulo, dando-lhe impulsos transversais. A haste do pêndulo é pendurada em uma mola de suspensão reta curta presa a um suporte robusto diretamente atrás da âncora. O pivô da âncora está alinhado com o ponto de curvatura da mola. Este arranjo resulta em um suporte de pêndulo mais estável do que simplesmente suspender o pêndulo diretamente da âncora.
Detalhes de design
A âncora é muito tolerante a variações em sua geometria, portanto, sua forma varia amplamente. No final do século 19, na Grã-Bretanha, o projeto usual era um ângulo de 90 ° entre os paletes, o que significava localizar o pivô da âncora a uma distância de ± 2 ≈ 1,4 vezes o raio da roda de escape do pivô da roda de escape. Em um relógio de pêndulo, que tinha um pêndulo que girava uma vez por segundo, a roda de escape geralmente tinha 30 dentes, o que fazia a roda de escape girar uma vez por minuto para que o ponteiro dos segundos pudesse ser preso ao seu eixo. Em uma roda de escape de 30 dentes, os paletes abrangem cerca de 7½ dentes. O ângulo de impulso das paletes, que determinava a oscilação do pêndulo, era de 3 ° -4 °.
História
A âncora foi o escapamento segunda amplamente utilizado na Europa, substituindo o primitivo 400-year-old escapamento beira em relógios de pêndulo . Os pêndulos nos relógios de escape da orla tinham oscilações muito amplas de 80 ° a 100 °. Em 1673, dezessete anos após ter inventado o relógio de pêndulo, Christiaan Huygens publicou sua análise matemática de pêndulos, Horologium Oscillatorium . Nele ele mostrou que as amplas oscilações do pêndulo dos relógios de ponta faziam com que eles fossem imprecisos, porque o período de oscilação do pêndulo não era isócrono, mas variava em pequeno grau devido ao erro circular com mudanças na amplitude da oscilação do pêndulo, que ocorreu com mudanças inevitáveis na força motriz. A compreensão de que apenas pequenas oscilações de pêndulo eram quase isócronas motivou os relojoeiros a projetar escapes com pequenas oscilações.
A principal vantagem da âncora era que, ao posicionar os paletes mais longe do pivô, a oscilação do pêndulo era reduzida de cerca de 100 ° nos relógios de ponta para apenas 4 ° -6 °. Além da precisão aprimorada devido ao isocronismo , isso permitia que os relógios usassem pêndulos mais longos, que tinham uma 'batida' mais lenta. A menor resistência ao ar (a resistência aerodinâmica aumenta com o quadrado da velocidade, de modo que um pêndulo mais rápido experimenta um arrasto muito maior) significava que eles precisavam de menos força para continuar balançando e causava menos desgaste no movimento do relógio. A âncora também permitiu o uso de um pêndulo mais pesado do prumo para uma determinada força de tracção, fazendo com que o pêndulo mais independente da taxa de fuga (maior Q ), e assim mais preciso. Esses longos pêndulos exigiam caixas de relógio longas e estreitas. Por volta de 1680, o relojoeiro britânico William Clement começou a vender os primeiros relógios comerciais a usar o escapamento de âncora, relógios autônomos altos com pêndulos de 1 metro (39 polegadas) segundos contidos dentro de uma caixa longa e estreita que veio a ser chamada de caixa longa ou relógios de "avô". A âncora aumentou tanto a precisão dos relógios que por volta de 1680-1690 o uso do ponteiro dos minutos , anteriormente uma exceção nos relógios, tornou-se a regra.
O escapamento de âncora substituiu a borda dos relógios de pêndulo em cerca de cinquenta anos, embora os relojoeiros franceses continuassem a usar as bordas até cerca de 1800. Muitos relógios de borda foram reconstruídos com âncoras. No século 18, a forma mais precisa do escapamento substituiu a âncora nos reguladores de precisão, mas a âncora continuou sendo o burro de carga nos relógios de pêndulo domésticos. Durante o século 19, a forma caloteira gradualmente assumiu a maioria dos relógios de qualidade, mas a forma de âncora ainda é usada em alguns relógios de pêndulo hoje.
Desvantagens
O escapamento da âncora é confiável e tolerante a grandes erros geométricos em sua construção, mas seu funcionamento é semelhante ao antigo escapamento da berma e mantém duas das principais desvantagens da berma:
- É um escapamento por atrito ; o pêndulo está sempre sendo empurrado por um dente da roda de escape ao longo de seu ciclo e nunca pode oscilar livremente. Isso torna a taxa do relógio sensível às mudanças na força motriz. Quaisquer pequenas mudanças na força aplicada aos paletes, por exemplo, por uma mudança na lubrificação devido ao envelhecimento do óleo, ou a diminuição da força da mola principal de um relógio à medida que desacelera, irá alterar o período de oscilação do pêndulo. Os relógios de escape da âncora acionados por uma mola principal exigiam um fusível para equilibrar a força da mola principal.
- É um escape de recuo como mencionado acima; o momento do pêndulo empurra a roda de escape para trás durante parte do ciclo. Isso causa desgaste extra ao movimento e aplica forças variáveis ao pêndulo, causando imprecisão.
Escape Deadbeat
As duas desvantagens acima foram removidas com a invenção de uma versão melhorada do escape da âncora: o deadbeat ou escape de Graham . Muitas vezes, isso é creditado erroneamente ao relojoeiro inglês George Graham, que o introduziu por volta de 1715 em seus relógios reguladores de precisão. No entanto, ele foi inventado por volta de 1675 pelo astrônomo Richard Towneley e usado pela primeira vez pelo mentor de Graham, Thomas Tompion, em um relógio construído para Sir Jonas Moore e nos dois reguladores de precisão que ele fez para o novo Observatório de Greenwich em 1676, mencionado na correspondência entre o Astrônomo Royal John Flamsteed e Towneley
A forma caloteira do escapamento da âncora é menos tolerante à imprecisão em sua fabricação ou desgaste durante a operação e foi inicialmente usada apenas em relógios de precisão, mas seu uso se espalhou durante o século 19 para a maioria dos relógios de pêndulo de qualidade. Quase todos os relógios de pêndulo fabricados hoje o utilizam.
Os relógios de torre são um dos poucos tipos de relógio de pêndulo que o escapamento da âncora não dominava. A força variável aplicada ao trem de roda pelos grandes ponteiros externos, expostos ao vento, neve e cargas de gelo, foi melhor tratada por escapes de gravidade .
Como funciona
O escape deadbeat tem duas faces para os paletes, uma face de 'bloqueio' ou 'morto', com uma superfície curva concêntrica com o eixo em que a âncora gira, e uma face inclinada de 'impulso'. Quando um dente da roda de escape está apoiado em uma das faces mortas, sua força é direcionada através do eixo pivô da âncora, de modo que não dá impulso ao pêndulo, permitindo que ele oscile livremente. Quando o palete do outro lado libera a roda de escape, um dente pousa primeiro nesta face "morta" e permanece apoiada nela durante a maior parte do movimento e retorno do pêndulo. Durante este período, a roda de escape fica "travada" e incapaz de girar. Perto da parte inferior da oscilação do pêndulo, o dente desliza da face morta para a face inclinada de "impulso" do palete, permitindo que a roda de escape gire e dê um empurrão no pêndulo, antes de cair do palete. Ainda é um escape de descanso por atrito porque o deslizamento do dente de escape na face morta adiciona atrito ao balanço do pêndulo, mas tem menos atrito do que o escape de recuo porque não há força de recuo.
Em contraste com a inclinação para trás dos dentes da roda de escape da âncora, os dentes da roda de escape deadbeat são radiais ou inclinados para a frente para garantir que o dente faça contato com a face "morta" do palete, evitando o recuo.
A condição Airy
Os relojoeiros descobriram no século XVIII que, para precisão, o melhor lugar para aplicar o impulso para manter o pêndulo oscilando era na parte inferior de sua oscilação, à medida que ele passava por sua posição de equilíbrio. Se o impulso for aplicado durante a desaceleração do pêndulo, antes de chegar ao fundo, a força de impulso tende a diminuir o período de oscilação, de modo que um aumento na força motriz faz com que o relógio ganhe tempo. Se o impulso for aplicado durante a subida do pêndulo, após atingir o fundo, a força de impulso tende a aumentar o período de oscilação, portanto, um aumento na força motriz faz com que o relógio perca tempo.
Em 1826, o astrônomo britânico George Airy provou isso; especificamente, ele provou que um pêndulo que é movido por um impulso motriz simétrico em relação à sua posição de equilíbrio inferior é isócrono para diferentes forças motrizes, ignorando o atrito, e que o escape de batida aproximadamente satisfaz essa condição. Ficaria perfeitamente satisfeito se os dentes da roda de escape caíssem exatamente no canto entre as duas faces do palete, mas para que o escape funcione de forma confiável, os dentes devem cair acima do canto, na face "morta".
Comparação de movimento em âncora e calote
Uma das principais causas de erro nos relógios são as mudanças na força motriz aplicada ao escapamento, causadas por pequenas mudanças no atrito das engrenagens ou paletes, ou a diminuição da força da mola principal à medida que ela se desenrola. Um escape no qual as mudanças na força motriz não afetam a taxa é chamado de isócrono. O desempenho superior do deadbeat sobre o recuo é devido ao isocronismo aprimorado. Isso se deve às diferentes maneiras pelas quais as mudanças na força motriz afetam a oscilação do pêndulo nos dois escapes:
- No escapamento da âncora , um aumento da força motriz faz com que o pêndulo oscile para frente e para trás mais rapidamente, mas não aumenta muito a amplitude do pêndulo , o comprimento de seu balanço. O aumento da força do dente da roda de escape no palete durante a parte de recuo do ciclo tende a diminuir a oscilação do pêndulo, enquanto a força do dente durante a parte do impulso para a frente do ciclo tende a aumentar a oscilação do pêndulo. Eles tendem a se anular, deixando o swing inalterado. Mas ambos os efeitos diminuem o tempo de swing. Em outras palavras, o aumento da força bate o pêndulo para frente e para trás em um arco fixo mais rápido.
- No escape deadbeat , não há recuo e o aumento da força motriz faz com que o pêndulo oscile em um arco mais amplo, além de se mover mais rápido. O tempo necessário para cobrir a distância extra compensa exatamente o aumento da velocidade do pêndulo, deixando o período de oscilação inalterado. No entanto, a oscilação mais ampla causa um ligeiro aumento no período devido ao erro circular . Para relógios domésticos, esse efeito é desprezível, mas é uma limitação da precisão que pode ser alcançada por relógios reguladores de precisão com escapes de deadbeat.
Quando o deadbeat foi inventado, os relojoeiros inicialmente acreditaram que ele tinha um isocronismo inferior ao da âncora, devido ao maior efeito das mudanças de força na amplitude do pêndulo. Análises recentes apontam que o não isocronismo da âncora pode cancelar o erro circular do pêndulo. Ou seja, um aumento na amplitude de oscilação provoca um ligeiro aumento no período de um pêndulo devido ao erro circular , e que isso pode compensar a diminuição do período devido ao isocronismo. Devido a este efeito, um escape de âncora cuidadosamente ajustado com paletes polidas pode ser mais preciso do que um calote. Isso foi confirmado por pelo menos um experimento moderno.
Veja também
Referências
links externos
- Headrick, Michael (2002). "Origem e evolução do escape do relógio âncora" . Revista Control Systems . Inst. de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos. 22 (2). Arquivado do original em 25/10/2009 . Página visitada em 06/06/2007 .- link morto
- Glasgow, David (1885). Assistir e fazer relógios . Londres: Cassel & Co. p. 293 .no Google Livros. Detalhes de construção.