Relógio de pêndulo

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Relógio de pêndulo (por volta de 1800) de Julien Béliard, Paris , maître horloger mencionado na rue Saint-Benôit e rue Pavée em 1777, ainda ativo em 1817, ou Julien-Antoine Béliard, maître horloger em 1786, mencionado na rue de Hurepoix, 1787 - 1806.

O relógio de pêndulo é um dispositivo para medir a passagem do tempo com base na regularidade da oscilação (isocronismo) de um pêndulo mecânico .

Desde o século XX , este instrumento foi ultrapassado em precisão primeiro pelo relógio de quartzo e depois pelo relógio atómico , mas continua a ter uma certa utilização devido ao seu valor estético e artístico.

Alguns modelos são, de fato, envoltos em preciosos móveis de madeira e são considerados valiosos trabalhos de artesanato de precisão.

São peças equipadas com toques elaborados, órgãos musicais e complexos mecanismos cenográficos animados.

As dimensões variam de pequenos objetos de mesa a relógios de sala de estar e grandes mecanismos de torre .

História

A regularidade do movimento do pêndulo foi estudada por Galileo Galilei no século XVII , mas a invenção do relógio de pêndulo é atribuída a Christiaan Huygens, que depositou a patente em 1656 . A fabricação começou em 1657 por artesãos holandeses e se espalhou rapidamente.

No século XVIII existiam vários artesãos importantes que faziam relógios de excelente acabamento, de grande valor pelos materiais utilizados e pelos efeitos cenográficos dos toques. Um exemplo valioso é preservado no Museu Hermitage em São Petersburgo e representa um pavão mecânico em ouro que canta ao bater da hora com incrível realismo.

Operação

Esquema de pêndulo com escape de âncora

O coração do relógio é o pêndulo , que consiste em uma barra de metal ou madeira articulada em um fulcro e com uma massa colocada na extremidade livre. Como o período de oscilação depende da distância entre o fulcro e o centro de gravidade do pêndulo, a massa geralmente desliza ao longo da barra, para poder calibrar o instrumento. A expansão térmica atua alterando o comprimento do pêndulo e, portanto, variando seu período em função da variação da temperatura.

Para converter o movimento recíproco do pêndulo em uma rotação regular das engrenagens, necessária para girar os ponteiros, e ao mesmo tempo fornecer ao pêndulo energia cinética para compensar as perdas por atrito , vários mecanismos foram inventados, chamados escapamentos . Existem vários tipos de escapes, mas em geral consistem em uma roda equipada com dentes especiais nos quais é inserido um mecanismo integrado ao eixo do pêndulo. A roda é submetida a um par de forças transmitidas por uma mola ou por um rolo com uma corda enrolada ao qual é preso um peso. O escape significa que quando o pêndulo está em uma extremidade de seu caminho, ele é empurrado na direção oposta e, ao mesmo tempo, a roda dentada se move para frente com um clique. Uma vez que o pêndulo atinge a extremidade oposta da trajetória, o processo se inverte e a roda avança outro clique. A sequência se repete indefinidamente até que a energia seja fornecida pela mola ou pela queda de peso.

A relação entre os dentes e os pinhões determina o número de revoluções que cada roda deve completar, por exemplo, a roda central ou os minutos devem completar uma revolução em uma hora. Para posicionar o ponteiro das horas, foi necessário adicionar uma engrenagem adicional composta por 3 rodas chamadas de peças pequenas. Esta última é uma engrenagem redutora, ou seja, tem uma relação de 12 voltas para 1 (12: 1) para os mostradores de 12 horas e de 24 voltas para 1 (24: 1) para os mostradores de 24 horas. Engrenagens adicionais podem rastrear a data, as fases da lua e, em modelos mais sofisticados, até mesmo realizar cálculos astronômicos .

Sistemas de energia diferentes de mola ou peso foram estudados para eliminar ou reduzir a necessidade de recarga. Uma solução curiosa é o relógio Cox, construído por volta de 1760 e ainda preservado (não funcionando mais) em Londres , que derivava energia de mudanças na pressão atmosférica . Em modelos recentes (pêndulo ou roda de balanço) a recarga da mola poderia ser feita por um motor elétrico , ou a energia poderia ser fornecida diretamente ao pêndulo por meio de eletroímãs devidamente sincronizados com seu movimento, e eliminando a necessidade de escape.

Os primeiros relógios de pêndulo de Huygens apresentavam um erro de cerca de 10 segundos por dia. Melhorias subsequentes, incluindo compensação para expansão térmica, redução de atrito e colocação do pêndulo em uma câmara de vácuo , reduziram o erro a alguns centésimos de segundo por dia nos modelos mais sofisticados de hoje.

Alternativas ao pêndulo

Roda de balanço do relógio

Uma desvantagem óbvia do relógio de pêndulo é a impossibilidade de ser usado em movimento, pois o pêndulo seria seriamente perturbado em sua oscilação e deixaria de funcionar. Visto que a medição precisa do tempo é importante para determinar a longitude no mar, a necessidade de um sistema alternativo foi muito sentida. A solução, idealizada em 1675 por Huygens, para superar essa limitação, é a roda do balanço , capaz de funcionar em qualquer posição e em movimento. Consiste em um volante de massa adequada girado em torno de seu eixo e conectado a um sistema de escape semelhante ao do pêndulo. O volante gira regularmente alternadamente no sentido horário e anti-horário, trocando energia cinética com energia potencial acumulada por uma mola de torção à qual está ligado. Este dispositivo bastante aprimorado ainda está em uso em relógios de pulso , relógios de bolso e despertadores totalmente mecânicos.

Uma realização intermediária entre as duas técnicas é o pêndulo de torção, no qual algumas esferas são feitas para girar suspensas por uma mola de torção. Essa solução, porém, tem um valor predominantemente estético, pois não é mais precisa que o pêndulo clássico e não tem a praticidade de uma roda de balanço. No entanto, este sistema permite, dada a fragilidade obtenível com a força de torção em relação à força da gravidade que rege o pêndulo, atingir, utilizando a mola como fonte de energia, uma autonomia de funcionamento superior a um ano, face à média do mês de relógios pequenos pêndulo do apartamento.

Relógio de pêndulo duplo

Gressoney-Saint-Jean - um relógio de pêndulo em uma sala do Alpenfaunamuseum "Beck-Peccoz"

No século 20 , o engenheiro inglês William Hamilton Shortt inventou um relógio baseado em dois pêndulos, capaz de atingir a precisão de um centésimo de segundo por dia. Neste sistema, um pêndulo primário ( mestre ), feito com uma liga especial de baixa expansão térmica, oscila na ausência de influências externas e, possivelmente, dentro de um recipiente no qual um vácuo foi criado. Este pêndulo faz contato mecânico com o escapamento especial apenas por uma fração de segundo a cada trinta segundos. Um pêndulo secundário ( escravo ) avança uma catraca que a cada trinta segundos ativa um eletroímã , que libera uma alavanca que cai por gravidade . Esta alavanca, caindo sobre o pêndulo primário , envia um pequeno impulso suficiente para mantê-lo oscilando. A alavanca é então imediatamente colocada em um contato elétrico. Este contato ativa várias funções:

  • ativa um segundo eletroímã que retorna a própria alavanca para a posição inicial,
  • produz o impulso para a medição do tempo,
  • envia um impulso para o mecanismo de sincronização do pêndulo secundário .

Visto que o pêndulo secundário deve liberar a alavanca no momento certo, é importante que este pêndulo seja mantido sincronizado dentro de margens próximas com o pêndulo primário .

Para obter maior independência de fatores externos, os pêndulos são montados em suportes antivibração e fixados em blocos de concreto resistentes.

Este tipo de relógio tornou-se comum entre os observadores. Foi o primeiro relógio preciso o suficiente para detectar variações sazonais na velocidade de rotação da Terra.

Curiosamente, este relógio, ainda invicto por relógios comerciais, incluindo os de quartzo, que raramente caem ao segundo por dia, tem precisão de até 0,1 ppm, ou um décimo de uma parte por milhão. Poucas ferramentas de laboratório podem competir com ele.

Bibliografia

  • ( EN ) Joella G. Yoder. Unrolling Time: Christiaan Huygens and the Mathematization of Nature . Cambridge, Cambridge University Press, 2004. ISBN 9780521524810

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