Mola de equilíbrio - Balance spring

Roda de equilíbrio em um despertador dos anos 1950 , mostrando a mola de equilíbrio (1) e o regulador (2)

Uma mola de equilíbrio , ou espiral , é uma mola presa à roda de equilíbrio em relógios mecânicos . Ele faz com que a roda do balanço oscile com uma frequência ressonante quando o relógio está funcionando, o que controla a velocidade na qual as rodas do relógio giram, portanto, a taxa de movimento dos ponteiros. Freqüentemente, é instalada uma alavanca reguladora , que pode ser usada para alterar o comprimento livre da mola e, assim, ajustar a velocidade do relógio.

A mola de equilíbrio é uma espiral fina ou mola de torção helicoidal usada em relógios mecânicos , despertadores , cronômetros de cozinha , cronômetros marítimos e outros mecanismos de cronômetro para controlar a taxa de oscilação da roda de equilíbrio. A mola de equilíbrio é um complemento essencial para a roda de equilíbrio, fazendo com que oscile para frente e para trás. A mola de equilíbrio e a roda de equilíbrio juntas formam um oscilador harmônico , que oscila com um período preciso ou "batida" resistindo a distúrbios externos e é responsável pela precisão do cronômetro.

A adição da mola de equilíbrio à roda de equilíbrio por volta de 1657 por Robert Hooke e Christiaan Huygens aumentou muito a precisão dos relógios portáteis, transformando os primeiros relógios de bolso de novidades caras em cronômetros úteis. Melhorias na mola de equilíbrio são responsáveis ​​por grandes aumentos na precisão desde então. As molas de equilíbrio modernas são feitas de ligas especiais de coeficiente de baixa temperatura , como o nivarox, para reduzir os efeitos das mudanças de temperatura na taxa, e cuidadosamente modeladas para minimizar o efeito das mudanças na força motriz conforme a mola principal desacelera. Antes da década de 1980, as rodas de equilíbrio e as molas de equilíbrio eram usadas em praticamente todos os dispositivos portáteis de cronometragem, mas nas últimas décadas a tecnologia de cronometragem de quartzo eletrônico substituiu o mecanismo de relógio mecânico, e o principal uso restante das molas de equilíbrio é em relógios mecânicos.

Tipos de molas de equilíbrio: (1) espiral plana, (2) bobina de Breguet, (3) hélice do cronômetro, mostrando extremidades curvas, (4) molas de equilíbrio iniciais.

História

Desenho de uma de suas primeiras molas de equilíbrio, presa a uma roda de equilíbrio, por Christiaan Huygens , inventor da mola de equilíbrio, publicado em sua carta no Journal des Sçavants de 25 de fevereiro de 1675.

Há alguma controvérsia se ele foi inventado por volta de 1660 pelo físico britânico Robert Hooke ou pelo cientista holandês Christiaan Huygens , com a probabilidade de que Hooke tenha tido a ideia pela primeira vez, mas Huygens construiu o primeiro relógio funcional que usava uma mola de equilíbrio. Antes disso, rodas de equilíbrio ou foliots sem molas eram usados ​​em relógios e relógios, mas eram muito sensíveis às flutuações da força motriz, fazendo com que o relógio diminuísse conforme a mola principal se desenrolava. A introdução da mola de equilíbrio efetuou um enorme aumento na precisão dos relógios de bolso , de talvez várias horas por dia para 10 minutos por dia, tornando-os cronometristas úteis pela primeira vez. As primeiras molas de equilíbrio tiveram apenas algumas voltas.

Alguns relógios antigos tinham um regulador Barrow, que usava uma unidade sem - fim , mas o primeiro regulador amplamente usado foi inventado por Thomas Tompion por volta de 1680. No regulador Tompion, os pinos do meio-fio eram montados em uma cremalheira semicircular, que era ajustada encaixando-se um chave para uma engrenagem e girá-la. O regulador moderno, uma alavanca articulada concentricamente com a roda do balanço, foi patenteado por Joseph Bosley em 1755, mas não substituiu o regulador Tompion até o início do século XIX.

Regulador

Para ajustar a taxa, a mola de equilíbrio geralmente tem um regulador . O regulador é uma alavanca móvel montada na torneira ou ponte da balança, articulada coaxialmente com a balança. Uma ranhura estreita é formada em uma extremidade do regulador por dois pinos salientes para baixo, chamados pinos de meio-fio, ou por um pino de meio-fio e um pino com uma seção mais pesada chamada de bota. O final da volta externa da mola de equilíbrio é fixada em um pino que é preso à torneira de equilíbrio. A volta externa da mola então passa pela ranhura do regulador. A parte da mola entre o pino e a ranhura é mantida estacionária, de modo que a posição da ranhura controla o comprimento livre da mola. Mover o regulador desliza a fenda ao longo da volta externa da mola, mudando seu comprimento efetivo. Afastar a ranhura do pino encurta a mola, tornando-a mais rígida, aumentando a taxa de oscilação do balanço e fazendo com que o relógio ganhe tempo.

O regulador interfere ligeiramente com o movimento da mola, causando imprecisão, portanto, relógios de precisão como cronômetros marítimos e alguns relógios de última geração têm mola livre , o que significa que não têm regulador. Em vez disso, sua taxa é ajustada por parafusos de sincronização na roda do balanço.

Existem dois tipos principais de Regulador Balance Spring.

  • O Regulador Tompion, no qual os Pinos do Meio-fio são montados em uma cremalheira setorial, movidos por um pinhão. O pinhão é geralmente equipado com um disco graduado de prata ou aço.
  • O Regulador Bosley, conforme descrito acima, no qual os Pinos são montados em uma alavanca articulada coaxialmente com a Balança, podendo a extremidade da alavanca ser movida em uma escala graduada. Existem várias variantes que melhoram a precisão com que a alavanca pode ser movida, incluindo o regulador "Snail", no qual a alavanca é suspensa contra um came de perfil espiral que pode ser girado, o micrômetro, no qual a alavanca é movida por um engrenagem helicoidal, e o regulador "Pescoço de Cisne" ou "Palheta" no qual a posição da alavanca é ajustada por um parafuso fino, a alavanca sendo mantida em contato com o parafuso por uma mola em forma de pescoço de cisne curvo. Este foi inventado e patenteado pelo americano George P. Reed, patente norte-americana nº 61.867 datada de 5 de fevereiro de 1867.

Há também um regulador "Hog's Hair" ou "Pig's Bristle", no qual fibras rígidas são posicionadas nas extremidades do arco do Balance, e o faz parar suavemente antes de jogá-lo para trás. O relógio é acelerado encurtando o arco. Este não é um Regulador Balance Spring, sendo usado nos primeiros relógios antes da Balance Spring ser inventada.

Também existe um Regulador Barrow, mas este é realmente o mais antigo dos dois métodos principais de dar à mola principal "tensão de configuração"; necessário para manter a corrente do Fusee em tensão, mas não o suficiente para realmente conduzir o relógio. Os relógios Verge podem ser regulados ajustando a tensão de configuração, mas se algum dos reguladores descritos anteriormente estiver presente, isso geralmente não é feito.

Material

Vários materiais foram usados ​​para molas de equilíbrio. No início, o aço foi usado, mas sem nenhum processo de endurecimento ou revenimento aplicado; como resultado, essas molas enfraqueceriam gradualmente e o relógio começaria a perder tempo. Alguns relojoeiros, por exemplo John Arnold , usavam ouro, o que evita o problema da corrosão, mas retém o problema do enfraquecimento gradual. O aço temperado e temperado foi usado pela primeira vez por John Harrison e, posteriormente, permaneceu como o material de escolha até o século XX.

Em 1833, EJ Dent (fabricante do Grande Relógio das Casas do Parlamento ) experimentou uma mola de balanço de vidro. Este era muito menos afetado pelo calor do que o aço, reduzindo a compensação necessária e também não enferrujava. Outros ensaios com molas de vidro revelaram que eram difíceis e caras de fazer e sofriam de uma percepção generalizada de fragilidade, que persistiu até a época da fibra de vidro e dos materiais de fibra óptica. Hairsprings feitos de silício gravado foram introduzidos no final do século 20 e não são suscetíveis à magnetização.

Efeito da temperatura

O módulo de elasticidade dos materiais depende da temperatura. Para a maioria dos materiais, esse coeficiente de temperatura é grande o suficiente para que as variações de temperatura afetem significativamente a cronometragem de uma roda de balanço e de uma mola de balanço. Os primeiros fabricantes de relógios com molas de equilíbrio, como Hooke e Huygens, observaram esse efeito sem encontrar uma solução para ele.

Harrison, no decorrer do desenvolvimento do cronômetro marítimo, resolveu o problema por meio de um "meio-fio de compensação" - essencialmente um termômetro bimetálico que ajustava o comprimento efetivo da mola de equilíbrio em função da temperatura. Embora esse esquema funcionasse bem o suficiente para permitir que Harrison atendesse aos padrões estabelecidos pela Lei da Longitude , ele não foi amplamente adotado.

Por volta de 1765, Pierre Le Roy (filho de Julien Le Roy ) inventou a balança de compensação, que se tornou a abordagem padrão para compensação de temperatura em relógios e cronômetros. Nesta abordagem, a forma da balança é alterada, ou os pesos de ajuste são movidos nos raios ou na borda da balança, por um mecanismo sensível à temperatura. Isso muda o momento de inércia da roda do balanço, e a mudança é ajustada de forma a compensar a mudança no módulo de elasticidade da mola do balanço. O projeto da balança de compensação de Thomas Earnshaw , que consiste simplesmente em uma roda de balanço com aro bimetálico, tornou-se a solução padrão para compensação de temperatura.

Elinvar

Embora a balança de compensação tenha sido eficaz como forma de compensar o efeito da temperatura na mola da balança, ela não pode fornecer uma solução completa. O projeto básico sofre de "erro de temperatura média": se a compensação for ajustada para ser exata em extremos de temperatura, ela ficará ligeiramente errada em temperaturas entre esses extremos. Vários mecanismos de "compensação auxiliar" foram projetados para evitar isso, mas todos eles são complexos e difíceis de ajustar.

Por volta de 1900, uma solução fundamentalmente diferente foi criada por Charles Édouard Guillaume , inventor de elinvar . Esta é uma liga de níquel-aço com a propriedade de que o módulo de elasticidade não é essencialmente afetado pela temperatura. Um relógio equipado com uma mola elinvar não requer compensação de temperatura ou requer muito pouco. Isso simplifica o mecanismo e também significa que o erro de temperatura média também é eliminado ou, no mínimo, reduzido drasticamente.

Isocronismo

Uma mola de equilíbrio obedece à Lei de Hooke : o torque de restauração é proporcional ao deslocamento angular. Quando essa propriedade é exatamente satisfeita, a mola do balanço é considerada isócrona e o período de oscilação é independente da amplitude da oscilação. Esta é uma propriedade essencial para uma cronometragem precisa, porque nenhum trem de acionamento mecânico pode fornecer força motriz absolutamente constante. Isso é particularmente verdadeiro em relógios e relógios portáteis que são movidos por uma mola principal, que fornece uma força motriz decrescente à medida que se desenrola. Outra causa da variação da força motriz é o atrito, que varia com o envelhecimento do óleo lubrificante.

Os primeiros relojoeiros encontraram empiricamente abordagens para tornar suas molas de equilíbrio isócronas. Por exemplo, Arnold em 1776 patenteou uma forma helicoidal (cilíndrica) da mola de equilíbrio, na qual as extremidades da mola eram enroladas para dentro. Em 1861, M. Phillips publicou um tratamento teórico do problema. Ele demonstrou que uma mola de equilíbrio cujo centro de gravidade coincide com o eixo da roda de equilíbrio é isócrona.

Na prática geral, o método mais comum de obter isocronismo é através do uso da bobina de Breguet, que coloca parte da volta mais externa da mola em um plano diferente do resto da mola. Isso permite que a mola "respire" de maneira mais uniforme e simétrica. Dois tipos de overcoils são encontrados - o overcoil gradual e o Z-Bend. O overcoil gradual é obtido impondo duas torções graduais à espiral, formando a subida para o segundo plano sobre a metade da circunferência. A curva Z faz isso impondo duas dobras de ângulos complementares de 45 graus, realizando uma subida para o segundo plano em cerca de três alturas de seção de mola. O segundo método é feito por razões estéticas e é muito mais difícil de executar. Devido à dificuldade de formar uma bobina, os relógios modernos costumam usar uma "perna de cachorro" um pouco menos eficaz, que usa uma série de curvas acentuadas (no plano) para colocar parte da bobina externa fora do caminho do resto da mola.

Período de oscilação

A mola de equilíbrio e a roda de equilíbrio (que é geralmente referida simplesmente como "o equilíbrio") formam um oscilador harmônico . A mola da balança fornece um torque de restauração que limita e inverte o movimento da balança de forma que ela oscile para frente e para trás. Seu período ressonante o torna resistente a mudanças de forças perturbadoras, o que o torna um bom dispositivo de cronometragem. A rigidez da mola, seu coeficiente de mola, em N * m / radiano, juntamente com o momento de inércia da roda do balanço , em kg * m 2 , determinam o período de oscilação da roda . As equações de movimento para o equilíbrio são derivadas da forma angular da lei de Hooke e da forma angular da segunda lei de Newton.

A seguinte equação diferencial para o movimento da roda resulta da simplificação da equação acima:

A solução para esta equação de movimento para o equilíbrio é o movimento harmônico simples , ou seja, um movimento senoidal de período constante.

Assim, a seguinte equação para a periodicidade de oscilação pode ser extraída dos resultados acima:

Este período controla a velocidade do relógio.

Veja também

Referências