Relógio de pêndulo - Pendulum clock

Da Wikipédia, a enciclopédia livre
Relógio de pêndulo concebido por Galileo Galilei por volta de 1637. O mais antigo desenho de relógio de pêndulo conhecido, nunca foi concluído.
Relógio de pêndulo de parede estilo regulador de Viena

Um relógio de pêndulo é um relógio que usa um pêndulo , um peso oscilante, como seu elemento de cronometragem . A vantagem de um pêndulo para cronometragem é que ele é um oscilador harmônico : ele oscila para frente e para trás em um intervalo de tempo preciso, dependendo de seu comprimento, e resiste a oscilações em outras taxas. Desde sua invenção em 1656 por Christiaan Huygens , inspirado em Galileo Galilei , até a década de 1930, o relógio de pêndulo foi o cronometrista mais preciso do mundo, sendo responsável por seu uso generalizado. Ao longo dos séculos 18 e 19, relógios de pêndulo em casas, fábricas, escritórios e estações ferroviárias serviram como padrões de horário primários para a programação da vida diária, turnos de trabalho e transporte público. Sua maior precisão permitiu o ritmo de vida mais rápido que foi necessário para a Revolução Industrial . O relógio de pêndulo doméstico foi substituído por relógios elétricos síncronos mais baratos nas décadas de 1930 e 1940. Os relógios de pêndulo agora são mantidos principalmente por seu valor decorativo e antigo .

Os relógios de pêndulo devem estar estacionários para funcionar. Qualquer movimento ou aceleração afetará o movimento do pêndulo, causando imprecisões, necessitando de outros mecanismos para uso em relógios portáteis.

História

O primeiro relógio de pêndulo, inventado por Christiaan Huygens em 1656

O primeiro relógio de pêndulo foi inventado em 1656 pelo cientista e inventor holandês Christiaan Huygens e patenteado no ano seguinte. Huygens contratou a construção de seus projetos de relógio para o relojoeiro Salomon Coster , que realmente construiu o relógio. Huygens foi inspirado pelas investigações de pêndulos por Galileo Galilei começando por volta de 1602. Galileu descobriu a propriedade chave que torna os pêndulos relógios úteis: isocronismo , o que significa que o período de oscilação de um pêndulo é aproximadamente o mesmo para oscilações de tamanhos diferentes. Galileu teve a ideia de um relógio de pêndulo em 1637, que foi parcialmente construído por seu filho em 1649, mas nenhum dos dois viveu para terminá-lo. A introdução do pêndulo, o primeiro oscilador harmônico usado na cronometragem, aumentou enormemente a precisão dos relógios, de cerca de 15 minutos por dia para 15 segundos por dia, levando à sua rápida propagação, já que os relógios existentes " verge and foliot " foram adaptados com pêndulos.

Um relógio de lanterna que foi convertido para usar um pêndulo. Para acomodar as amplas oscilações do pêndulo causadas pelo escape da orla , "asas" foram adicionadas nas laterais
Relógio do avô
Alguns dos relógios de pêndulo mais precisos: (esquerda) relógio regulador Riefler , que serviu como o padrão de tempo dos EUA de 1909 a 1929, (direita) relógio Shortt-Synchronome , o relógio de pêndulo mais preciso já fabricado, que serviu como padrão de tempo durante os anos 1930.

Esses primeiros relógios, devido a seus escapes de ponta , tinham grandes oscilações de pêndulo de 80-100 °. Em sua análise de pêndulos de 1673, Horologium Oscillatorium , Huygens mostrou que grandes oscilações tornavam o pêndulo impreciso, fazendo com que seu período e, portanto, a velocidade do relógio variassem com variações inevitáveis ​​na força motriz fornecida pelo movimento . A percepção dos relojoeiros de que apenas pêndulos com pequenas oscilações de alguns graus são isócronas motivou a invenção do escapamento de âncora por Robert Hooke por volta de 1658, que reduziu a oscilação do pêndulo para 4-6 °. A âncora se tornou o escapamento padrão usado em relógios de pêndulo. Além de aumentar a precisão, o estreito balanço do pêndulo da âncora permitiu que a caixa do relógio acomodasse pêndulos mais longos e lentos, que precisavam de menos energia e causavam menos desgaste no movimento. O pêndulo dos segundos (também chamado de pêndulo real), de 0,994 m (39,1 pol.) De comprimento, no qual o período de tempo é de dois segundos, passou a ser amplamente utilizado em relógios de qualidade. Os relógios compridos e estreitos construídos em torno desses pêndulos, feitos pela primeira vez por William Clement por volta de 1680, ficaram conhecidos como relógios de pêndulo . O aumento da precisão resultante desses desenvolvimentos fez com que o ponteiro dos minutos, anteriormente raro, fosse adicionado às faces do relógio começando por volta de 1690.

A onda de inovação relojoeira dos séculos 18 e 19 que se seguiu à invenção do pêndulo trouxe muitas melhorias aos relógios de pêndulo. O escapamento calote inventado em 1675 por Richard Towneley e popularizado por George Graham por volta de 1715 em seus relógios "reguladores" de precisão gradualmente substituiu o escapamento de âncora e agora é usado na maioria dos relógios de pêndulo modernos. A observação de que os relógios de pêndulo desaceleravam no verão trouxe a percepção de que a expansão e contração térmica da haste do pêndulo com mudanças na temperatura era uma fonte de erro. Isso foi resolvido com a invenção de pêndulos com compensação de temperatura; o pêndulo de mercúrio de George Graham em 1721 e o pêndulo de grade de John Harrison em 1726. Com essas melhorias, em meados do século 18, os relógios de pêndulo de precisão alcançavam uma precisão de alguns segundos por semana.

Até o século 19, os relógios eram feitos à mão por artesãos individuais e eram muito caros. A rica ornamentação dos relógios de pêndulo desse período indica seu valor como símbolo de status dos ricos. Os relojoeiros de cada país e região da Europa desenvolveram seus próprios estilos distintos. No século 19, a produção fabril de peças de relógios gradualmente tornou os relógios de pêndulo acessíveis às famílias de classe média.

Durante a Revolução Industrial , a vida diária foi organizada em torno do relógio de pêndulo doméstico. Relógios de pêndulo mais precisos, chamados reguladores , eram instalados em locais de negócios e estações ferroviárias e usados ​​para programar trabalhos e acertar outros relógios. A necessidade de uma cronometragem extremamente precisa na navegação celestial para determinar a longitude impulsionou o desenvolvimento dos relógios de pêndulo mais precisos, chamados reguladores astronômicos . Esses instrumentos de precisão, instalados em observatórios navais e mantidos precisos em um segundo pela observação de trânsitos estelares acima, foram usados ​​para acertar cronômetros marítimos em embarcações navais e comerciais. A partir do século 19, os reguladores astronômicos em observatórios navais serviram como padrões primários para os serviços nacionais de distribuição de tempo que distribuíam sinais de tempo por fios telegráficos . A partir de 1909, o Escritório Nacional de Padrões dos EUA (agora NIST ) baseou o padrão de tempo dos EUA em relógios de pêndulo Riefler , com precisão de cerca de 10 milissegundos por dia. Em 1929, ele mudou para o relógio de pêndulo livre Shortt-Synchronome antes de incorporar os padrões de quartzo na década de 1930. Com um erro de cerca de um segundo por ano, o Shortt era o relógio de pêndulo mais preciso produzido comercialmente.

Os relógios de pêndulo permaneceram o padrão mundial para cronometragem precisa por 270 anos, até a invenção do relógio de quartzo em 1927, e foram usados ​​como padrões de tempo durante a 2ª Guerra Mundial. O Serviço de Tempo Francês usou relógios de pêndulo como parte de seu conjunto de relógios padrão até 1954. O relógio de pêndulo doméstico começou a ser substituído como cronometrista doméstico durante as décadas de 1930 e 1940 pelo relógio elétrico síncrono , que mantinha a hora mais precisa por estar sincronizado com a oscilação da rede elétrica . O relógio de pêndulo experimental mais preciso já feito pode ser o Relógio Littlemore construído por Edward T. Hall na década de 1990 (doado em 2003 ao National Watch and Clock Museum , Columbia, Pensilvânia, EUA).

Mecanismo

Mecanismo do modelo do relógio Ansonia: c. 1904.

O mecanismo que aciona um relógio mecânico é chamado de movimento . Os movimentos de todos os relógios de pêndulo mecânicos têm estas cinco partes:

  • Uma fonte de energia; ou um peso em um cabo ou corrente que gira uma polia ou roda dentada, ou uma mola principal
  • Um trem de engrenagens ( trem de rodas ) que aumenta a velocidade da força para que o pêndulo possa usá-la. As relações de engrenagem do trem de engrenagens também dividem a taxa de rotação para dar às rodas que giram uma vez a cada hora e uma vez a cada 12 horas, para girar os ponteiros do relógio.
  • Um escape que dá ao pêndulo impulsos precisamente cronometrados para mantê-lo girando e que libera as rodas do trem de engrenagens para se mover para a frente em uma quantidade fixa a cada balanço. Esta é a fonte do som "tique-taque" de um relógio de pêndulo em operação.
  • O pêndulo, um peso em uma haste, que é o elemento de cronometragem do relógio
  • Um indicador ou mostrador que registra quantas vezes o escapamento girou e, portanto, quanto tempo passou, geralmente um mostrador de relógio tradicional com ponteiros giratórios.

Funções adicionais em relógios além da cronometragem básica são chamadas de complicações . Relógios de pêndulo mais elaborados podem incluir estas complicações:

  • Trem que toca: toca um sino ou gongo a cada hora, com o número de toques igual ao número da hora. Alguns relógios também sinalizam a meia hora com um único toque. Tipos mais elaborados, tecnicamente chamados de relógios de carrilhão , batem nos quartos de hora e podem tocar melodias ou sinos de catedral, geralmente quartos de Westminster .
  • Mostradores de calendário: mostram o dia, a data e, às vezes, o mês.
  • Mostrador de fases da lua : mostra a fase da lua, geralmente com uma imagem pintada da lua em um disco giratório.
  • Equação do mostrador do tempo : esta complicação rara foi usada nos primeiros dias para acertar o relógio pela passagem do sol ao meio-dia. Mostra a diferença entre a hora indicada pelo relógio e a hora indicada pela posição do sol, que varia em até ± 16 minutos durante o ano.
  • Anexo repetidor : repete os carrilhões das horas quando acionado manualmente. Essa complicação rara foi usada antes da iluminação artificial para verificar que horas eram da noite.

Em relógios de pêndulo eletromecânicos , como os usados ​​em relógios mecânicos Mestres, a fonte de energia é substituída por um solenóide elétrico que fornece os impulsos ao pêndulo por força magnética , e o escapamento é substituído por um interruptor ou fotodetector que detecta quando o pêndulo está no posição certa para receber o impulso. Eles não devem ser confundidos com relógios de pêndulo de quartzo mais recentes, nos quais um módulo de relógio de quartzo eletrônico balança um pêndulo. Esses não são relógios de pêndulo verdadeiros porque a marcação do tempo é controlada por um cristal de quartzo no módulo, e o pêndulo oscilante é meramente uma simulação decorativa.

Pêndulo oscilante da gravidade

Relógio de parede pendular estilo regulador de escola

O pêndulo oscila com um período que varia com a raiz quadrada de seu comprimento efetivo. Para pequenas oscilações, o período T , o tempo para um ciclo completo (duas oscilações), é

onde L é o comprimento do pêndulo eg é a aceleração local da gravidade . Todos os relógios de pêndulo têm um meio de ajustar a taxa. Esta é geralmente uma porca de ajuste sob o pêndulo prumo que se move a prumo para cima ou para baixo na sua haste. Mover o pêndulo para cima reduz o comprimento do pêndulo, reduzindo o período do pêndulo para que o relógio ganhe tempo. Em alguns relógios de pêndulo, o ajuste fino é feito com um ajuste auxiliar, que pode ser um pequeno peso que é movido para cima ou para baixo na haste do pêndulo. Em alguns relógios mestre e relógios de torre, o ajuste é realizado por uma pequena bandeja montada na haste onde pequenos pesos são colocados ou removidos para alterar o comprimento efetivo, de forma que a taxa possa ser ajustada sem parar o relógio.

O período de um pêndulo aumenta ligeiramente com a largura (amplitude) de sua oscilação. A taxa de erro aumenta com a amplitude, portanto, quando limitado a pequenas oscilações de alguns graus, o pêndulo é quase isócrono ; seu período é independente de mudanças na amplitude. Portanto, a oscilação do pêndulo em relógios é limitada a 2 ° a 4 °.

Compensação de temperatura

A principal fonte de erro nos relógios de pêndulo é a expansão térmica ; a haste do pêndulo muda ligeiramente de comprimento com as mudanças de temperatura, causando mudanças na velocidade do relógio. Um aumento na temperatura faz com que a haste se expanda, tornando o pêndulo mais longo, então seu período aumenta e o relógio perde tempo. Muitos relógios de qualidade mais antigos usavam hastes de pêndulo de madeira para reduzir esse erro, já que a madeira se expande menos que o metal.

O primeiro pêndulo a corrigir esse erro foi o pêndulo de mercúrio inventado por George Graham em 1721, que foi usado em relógios reguladores de precisão até o século XX. Estes tinham um prumo que consistia em um recipiente de mercúrio de metal líquido . Um aumento na temperatura faria com que a haste do pêndulo se expandisse, mas o mercúrio no recipiente também se expandiria e seu nível aumentaria ligeiramente no recipiente, movendo o centro de gravidade do pêndulo em direção ao pivô. Usando a quantidade correta de mercúrio, o centro de gravidade do pêndulo permaneceu em uma altura constante e, portanto, seu período permaneceu constante, apesar das mudanças de temperatura.

O pêndulo com compensação de temperatura mais amplamente usado foi o pêndulo de grade inventado por John Harrison por volta de 1726. Consistia em uma "grade" de hastes paralelas de metal de alta expansão térmica, como zinco ou latão, e metal de baixa expansão térmica, como aço . Se combinadas corretamente, a mudança de comprimento das hastes de alta expansão compensou a mudança de comprimento das hastes de baixa expansão, novamente alcançando um período constante do pêndulo com mudanças de temperatura. Este tipo de pêndulo tornou-se tão associado à qualidade que grades "falsas" decorativas são freqüentemente vistas em relógios de pêndulo, que não possuem função real de compensação de temperatura.

Começando por volta de 1900, alguns dos relógios científicos de mais alta precisão tinham pêndulos feitos de materiais de ultra-baixa expansão, como a liga de aço de níquel Invar ou sílica fundida , que exigia muito pouca compensação para os efeitos da temperatura.

Arrasto atmosférico

A viscosidade do ar através do qual o pêndulo oscila varia com a pressão atmosférica, umidade e temperatura. Este arrasto também requer energia que poderia ser aplicada para estender o tempo entre os enrolamentos. Tradicionalmente, o pêndulo é feito com lentes estreitas e aerodinâmicas para reduzir a resistência do ar, que é onde a maior parte da força motriz vai em um relógio de qualidade. No final do século 19 e no início do século 20, os pêndulos para relógios reguladores de precisão em observatórios astronômicos eram frequentemente operados em uma câmara que tinha sido bombeada a uma pressão baixa para reduzir o arrasto e tornar a operação do pêndulo ainda mais precisa, evitando mudanças na pressão atmosférica. O ajuste fino da taxa do relógio pode ser feito por pequenas mudanças na pressão interna na caixa selada.

Nivelando e "batendo"

Para manter o tempo com precisão, os relógios de pêndulo devem estar absolutamente nivelados. Do contrário, o pêndulo oscila mais para um lado do que para o outro, prejudicando o funcionamento simétrico do escapamento. Essa condição geralmente pode ser ouvida de forma audível no som do relógio. Os tiquetaques ou "batidas" devem estar em intervalos precisamente espaçados para dar um som de, "tic ... tic ... tic ... tic"; se não estiverem e tiverem o som "tic-tac ... tic-tac ...", o relógio está fora de ritmo e precisa ser nivelado. Esse problema pode facilmente fazer com que o relógio pare de funcionar e é um dos motivos mais comuns para chamadas de serviço. Um nível de bolha de ar ou cronômetro de relógio pode atingir uma precisão maior do que confiar no som da batida; reguladores de precisão geralmente têm um nível de bolha embutido para a tarefa. Os relógios autônomos mais antigos costumam ter pés com parafusos ajustáveis ​​para nivelá-los, os mais recentes têm um ajuste de nivelamento no movimento. Alguns relógios de pêndulo modernos têm dispositivos de 'batimento automático' ou 'ajuste de batimento auto-regulador' e não precisam desse ajuste.

Gravidade local

Relógio de pêndulo Ansonia. C.1904, SANTIAGO, relógio pendurado em carvalho de gengibre, hora de oito dias e batida.

Uma vez que a taxa do pêndulo aumentará com o aumento da gravidade, e a gravidade local varia com a latitude e elevação na Terra, os relógios de pêndulo de precisão devem ser reajustados para manter o tempo após um movimento. Por exemplo, um relógio de pêndulo movido do nível do mar para 4.000 pés (1.200 m) perderá 16 segundos por dia. Com os relógios de pêndulo mais precisos, até mesmo mover o relógio para o topo de um prédio alto faria com que ele perdesse um tempo mensurável devido à baixa gravidade.

Pêndulo de torção

Também chamado de pêndulo com mola de torção, é uma massa semelhante a uma roda (geralmente quatro esferas em raios cruzados) suspensa por uma tira vertical (fita) de aço mola, usada como mecanismo de regulação em relógios de pêndulo de torção . A rotação da massa enrola e desenrola a mola de suspensão, com o impulso de energia aplicado ao topo da mola. Com um período de 12-15 segundos, em comparação com o período do pêndulo de oscilação gravitacional de 0,5-2s, é possível fazer relógios que precisam ser acionados apenas a cada 30 dias, ou mesmo apenas uma vez por ano ou mais. Este tipo é independente da força local da gravidade, mas é mais afetado pelas mudanças de temperatura do que um pêndulo oscilante da gravidade não compensado.

Um relógio que requer apenas corda anual é às vezes chamado de " relógio de 400 dias" ou " relógio de aniversário ", o último às vezes dado como um presente de memorial de casamento. As empresas alemãs Schatz e Kieninger & Obergfell (conhecidas como "Kundo", de "K und O"), foram os principais fabricantes deste tipo de relógio. O relógio de " movimento perpétuo ", chamado Atmos porque seu mecanismo foi mantido enrolado pelas mudanças na temperatura atmosférica, também faz uso de um pêndulo de torção. Neste caso, o ciclo de oscilação leva 60 segundos completos.

Escapamento

Animação de um escapamento de âncora , um dos escapes mais comuns usados ​​em relógios de pêndulo

O escape é uma ligação mecânica que converte a força da roda do relógio em impulsos que mantêm o pêndulo balançando para frente e para trás. É a parte que faz o som de "tique-taque" em um relógio de pêndulo em funcionamento. A maioria dos escapes consiste em uma roda com dentes pontiagudos chamada roda de escape que é girada pelo trem de roda do relógio e superfícies contra as quais os dentes empurram, chamadas paletes . Durante a maior parte da oscilação do pêndulo, a roda é impedida de girar porque um dente está apoiado em um dos paletes; isso é chamado de estado "bloqueado". Cada movimento do pêndulo, um estrado, libera um dente da roda de escape. A roda gira para frente em uma quantidade fixa até que um dente se prenda no outro palete. Essas liberações permitem que o trem da roda do relógio avance uma quantidade fixa a cada balanço, movendo os ponteiros para a frente a uma taxa constante, controlada pelo pêndulo.

Embora o escape seja necessário, sua força perturba o movimento natural do pêndulo e, em relógios de pêndulo de precisão, esse costumava ser o fator limitante da precisão do relógio. Diferentes escapes têm sido usados ​​em relógios de pêndulo ao longo dos anos para tentar resolver esse problema. Nos séculos 18 e 19, o design do escapamento estava na vanguarda dos avanços da cronometragem. O escapamento de âncora (veja a animação) foi o escapamento padrão usado até 1800, quando uma versão melhorada, o escapamento de deadbeat, assumiu os relógios de precisão. É usado em quase todos os relógios de pêndulo hoje. O remontoire , um pequeno mecanismo de mola enrolado em intervalos que serve para isolar o escape da força variável do trem de roda, foi usado em alguns relógios de precisão. Em relógios de torre, o trem de rodas deve girar os ponteiros grandes no mostrador do relógio do lado de fora do edifício, e o peso desses ponteiros, variando com o acúmulo de neve e gelo, coloca uma carga variável no trem de rodas. Os escapes de gravidade foram usados ​​em relógios de torre.

No final do século 19, escapamentos especializados eram usados ​​nos relógios mais precisos, chamados reguladores astronômicos , que eram empregados em observatórios navais e para pesquisas científicas. O escapamento Riefler , usado nos relógios reguladores Clemens-Riefler, tinha precisão de 10 milissegundos por dia. Foram desenvolvidos escapes eletromagnéticos, que usavam um interruptor ou fototubo para ligar um eletroímã solenóide para dar ao pêndulo um impulso sem a necessidade de uma ligação mecânica. O relógio de pêndulo mais preciso era o relógio Shortt-Synchronome , um relógio eletromecânico complicado com dois pêndulos desenvolvido em 1923 por WH Shortt e Frank Hope-Jones , que tinha uma precisão melhor de um segundo por ano. Um pêndulo escravo em um relógio separado era ligado por um circuito elétrico e eletroímãs a um pêndulo mestre em um tanque de vácuo. O pêndulo escravo executou as funções de cronometragem, deixando o pêndulo mestre oscilar virtualmente sem ser perturbado por influências externas. Na década de 1920, o Shortt-Synchronome se tornou brevemente o padrão mais alto para cronometragem em observatórios antes que os relógios de quartzo substituíssem os relógios de pêndulo como padrões de tempo de precisão.

Indicação de tempo

O sistema de indicação é quase sempre o mostrador tradicional com ponteiros móveis das horas e dos minutos. Muitos relógios têm um pequeno terceiro ponteiro que indica os segundos em um mostrador subsidiário. Os relógios de pêndulo são normalmente projetados para serem ajustados abrindo a tampa frontal de vidro e empurrando manualmente o ponteiro dos minutos em torno do mostrador para a hora correta. O ponteiro dos minutos é montado em uma luva de fricção deslizante que permite que ele seja girado em seu eixo. O ponteiro das horas não é acionado pelo trem de rodas, mas pelo eixo do ponteiro dos minutos por meio de um pequeno conjunto de engrenagens, portanto, girar o ponteiro dos minutos manualmente também define o ponteiro das horas.

Estilos

Relógio regulador alemão de um ano. Circa 1850

Os relógios de pêndulo eram mais do que simples cronômetros utilitários; eram símbolos de status que expressavam a riqueza e a cultura de seus proprietários. Eles evoluíram em vários estilos tradicionais, específicos para diferentes países e épocas, bem como para o uso pretendido. Os estilos das caixas refletem um pouco os estilos de móveis populares durante o período. Os especialistas muitas vezes podem identificar quando um relógio antigo foi feito dentro de algumas décadas por diferenças sutis em suas caixas e faces. Estes são alguns dos diferentes estilos de relógios de pêndulo:

Veja também

Referências

links externos