Fuga - Escapement

Animação de escapamento de âncora , amplamente utilizado em relógios de pêndulo .

Um escapamento é uma ligação mecânica em relógios mecânicos e relógios que dá impulsos ao elemento de cronometragem e libera periodicamente o trem de engrenagens para avançar, avançando os ponteiros do relógio. A ação de impulso transfere energia para o elemento de cronometragem do relógio (geralmente um pêndulo ou roda de equilíbrio ) para repor a energia perdida com o atrito durante seu ciclo e manter o cronômetro oscilando. O escape é impulsionado pela força de uma mola espiral ou um peso suspenso, transmitido através do trem de engrenagens do relógio. Cada balanço da roda pêndulo ou o equilíbrio libera um dente do do escapamento roda de escape , permitindo trem de engrenagens do relógio para avançar ou "escape" por um valor fixo. Esse avanço periódico regular move os ponteiros do relógio para frente a uma taxa constante. Ao mesmo tempo, o dente dá um empurrão no elemento de cronometragem, antes que outro dente prenda no palete do escapamento, retornando o escapamento ao seu estado "travado". A parada repentina do dente do escapamento é o que gera o som característico de "tique-taque" ouvido ao operar relógios mecânicos. O primeiro escapamento mecânico, o escapamento de borda , foi inventado na Europa medieval durante o século 13 e foi a inovação crucial que levou ao desenvolvimento do relógio mecânico. O design do escapamento tem um grande efeito na precisão de um relógio, e as melhorias no design do escapamento levaram a melhorias na medição do tempo durante a era da cronometragem mecânica do século XIII ao século XIX.

Os escapes também são usados ​​em outros mecanismos além dos relógios. As máquinas de escrever manuais usavam escapes para mover o carro conforme cada letra (ou espaço) era digitada. Historicamente, um escapamento movido a líquido foi usado para um projeto de lavatório na Grécia antiga e no mundo helenístico , particularmente no Egito ptolomaico , enquanto escapamentos movidos a líquido foram aplicados a relógios começando na dinastia Tang na China e culminando durante a dinastia Song .

História

A importância do escape na história da tecnologia é que ele foi a principal invenção que tornou possível o relógio totalmente mecânico . A invenção do primeiro escapamento totalmente mecânico, o escapamento de beira , na Europa do século 13 iniciou uma mudança nos métodos de cronometragem de processos contínuos, como o fluxo de água em relógios de água , para processos oscilatórios repetitivos , como o balanço de pêndulos , o que pode render mais precisão. Cronometristas oscilantes são usados ​​em todos os relógios modernos.

Escapamentos movidos a líquido

O primeiro escapamento movido a líquido foi descrito pelo engenheiro grego Filo de Bizâncio (século III aC) em seu tratado técnico Pneumática (capítulo 31) como parte de um lavatório . Uma colher de contrapeso, fornecida por um tanque de água, tomba em uma bacia quando cheia, liberando um pedaço esférico de pedra-pomes no processo. Depois de esvaziada a colher, ela é puxada novamente pelo contrapeso, fechando a porta da pedra-pomes com o cordão tensor. Notavelmente, o comentário de Philo de que "sua construção é semelhante à dos relógios" indica que tais mecanismos de escape já estavam integrados em antigos relógios de água.

Na China , a dinastia Tang monge budista Yi Xing , juntamente com o governo oficial Liang Lingzan fez o escape em 723 (ou 725) para o funcionamento de um movido a água esfera armilar e unidade relógio , que foi o primeiro escapo relógio do mundo. Os horologistas da dinastia Song (960–1279) Zhang Sixun (fl. Final do século 10) e Su Song (1020–1101) aplicaram dispositivos de escape devidamente para suas torres de relógios astronômicos , antes que a tecnologia estagnasse e retrocedesse. De acordo com o historiador Derek J. de Solla Price , o escapamento chinês se espalhou para o oeste e foi a fonte da tecnologia de escapamento ocidental. De acordo com Ahmad Y. Hassan , um escapamento de mercúrio em uma obra espanhola para Alfonso X em 1277 pode ser rastreada até fontes árabes anteriores . O conhecimento desses escapes de mercúrio pode ter se espalhado pela Europa com traduções de textos em árabe e espanhol.

Porém, nenhum desses eram verdadeiros escapes mecânicos, pois ainda dependiam do escoamento de líquido por um orifício para medir o tempo. Por exemplo, no relógio de Su Song, a água fluía para um recipiente em um pivô. A função do escapamento era virar o recipiente toda vez que ele enchia, fazendo assim avançar as rodas do relógio cada vez que uma quantidade igual de água era medida. O tempo entre as liberações dependia da taxa de fluxo, assim como todos os relógios líquidos. A taxa de fluxo de um líquido através de um orifício varia com as mudanças de temperatura e viscosidade, e diminui com a pressão à medida que o nível de líquido no recipiente de origem cai. O desenvolvimento dos relógios mecânicos dependeu da invenção de um escapamento que permitisse que o movimento de um relógio fosse controlado por um peso oscilante.

Escapes mecânicos

O primeiro escapamento mecânico, o escapamento de orla , foi usado em um aparelho de toque de sino chamado alarum por vários séculos antes de ser adaptado aos relógios. Na Europa do século 14, ele apareceu como o cronometrista nos primeiros relógios mecânicos, que eram grandes relógios de torre (embora algumas fontes afirmem que o arquiteto francês Villard de Honnecourt inventou o primeiro escapamento por volta de 1237 devido a um desenho em seus cadernos de uma ligação de corda para (vire a estátua de um anjo para seguir o sol, o consenso é que isso não era um escape). Sua origem e primeiro uso são desconhecidos porque é difícil distinguir quais desses primeiros relógios de torre eram mecânicos e quais eram relógios de água . No entanto, evidências indiretas, como um aumento repentino no custo e na construção de relógios, apontam para o final do século 13 como a data mais provável para o desenvolvimento do escapamento de relógio moderno. O astrônomo Robertus Anglicus escreveu em 1271 que os relojoeiros estavam tentando inventar um escapamento, mas ainda não tiveram sucesso. Por outro lado, a maioria das fontes concorda que os relógios de escape mecânico já existiam por volta de 1300.

Na verdade, a descrição mais antiga de um escapamento, no manuscrito de 1327 de Richard de Wallingford , Tractatus Horologii Astronomici, sobre o relógio que ele construiu na Abadia de St. Albans , não era uma borda, mas uma variação chamada escapamento estroboscópico . Consistia em um par de rodas de escape no mesmo eixo, com dentes radiais alternados. A barra lateral estava suspensa entre eles, com uma cruzeta curta que girava primeiro em uma direção e depois na outra à medida que os dentes alternados passavam. Embora nenhum outro exemplo seja conhecido, é possível que este tenha sido o primeiro projeto de escapamento de relógio.

No entanto, a beira era o escape padrão usado em todos os outros relógios e relógios antigos, e permaneceu o único escape por 400 anos. Seu atrito e recuo limitavam seu desempenho, mas a precisão desses relógios de borda e foliot era mais limitada por suas rodas de equilíbrio do tipo foliot , que, por não possuírem uma mola de equilíbrio , não tinham "batida" natural, então não havia muito incentivo para melhorar o escapamento.

O grande salto na precisão resultante da invenção do pêndulo e da mola de equilíbrio por volta de 1657, que tornou os elementos de cronometragem em relógios e relógios osciladores harmônicos , focou a atenção nos erros do escape, e escapes mais precisos logo superaram a borda. Os dois séculos seguintes, a "idade de ouro" da relojoaria mecânica , viram a invenção de talvez 300 designs de escapes, embora apenas cerca de 10 tenham resistido ao teste do tempo e tenham sido amplamente usados ​​em relógios e relógios. Eles são descritos individualmente a seguir.

A invenção do oscilador de cristal e do relógio de quartzo na década de 1920, que se tornou o relógio mais preciso na década de 1930, mudou a pesquisa tecnológica em cronometragem para métodos eletrônicos , e o design de escapamento deixou de desempenhar um papel no avanço da precisão da cronometragem.

Confiabilidade

A confiabilidade de um escapamento depende da qualidade do acabamento e do nível de manutenção oferecido. Um escape mal construído ou mal mantido causará problemas. O escapamento deve converter com precisão as oscilações do pêndulo ou roda de equilíbrio em rotação do relógio ou trem de engrenagem de relógio, e deve fornecer energia suficiente para o pêndulo ou roda de equilíbrio para manter sua oscilação.

Em muitos escapes, o desbloqueio do escapamento envolve movimento deslizante; por exemplo, na animação mostrada acima, os paletes da âncora deslizam contra os dentes da roda do escapamento conforme o pêndulo balança. As paletes são frequentemente feitas de materiais muito duros, como pedra polida (por exemplo, rubi artificial), mas mesmo assim normalmente requerem lubrificação. Como o óleo lubrificante se degrada com o tempo devido à evaporação, poeira, oxidação, etc., a relubrificação periódica é necessária. Se isso não for feito, o relógio pode funcionar incorretamente ou parar completamente, e os componentes do escapamento podem sofrer um desgaste rápido. A maior confiabilidade dos relógios modernos se deve principalmente aos óleos de alta qualidade usados ​​para lubrificação. A vida útil do lubrificante pode ser superior a cinco anos em um relógio de alta qualidade.

Alguns escapes evitam o atrito deslizante; exemplos incluem o escapamento de gafanhoto de John Harrison no século 18. Isso pode evitar a necessidade de lubrificação no escapamento (embora não elimine a necessidade de lubrificação de outras partes do trem de engrenagens).

Precisão

A precisão de um relógio mecânico depende da precisão do dispositivo de cronometragem. Se for um pêndulo, o período de oscilação do pêndulo determina a precisão. Se a haste do pêndulo for feita de metal, ela se expandirá e se contrairá com o calor, encurtando ou alongando o pêndulo; isso muda o tempo necessário para uma tacada. Ligas especiais são usadas em relógios caros baseados em pêndulo para minimizar essa distorção. Os graus de arco que um pêndulo pode oscilar variam; relógios de pêndulo altamente precisos têm arcos muito pequenos para minimizar o erro circular .

Os relógios baseados em pêndulo podem atingir uma precisão excepcional. Mesmo no século 20, os relógios de pêndulo eram relógios de referência em laboratórios.

As fugas também desempenham um grande papel na precisão. O ponto preciso no percurso do pêndulo em que o impulso é fornecido determinará a proximidade do tempo em que o pêndulo oscilará. Idealmente, o impulso deve ser distribuído uniformemente em cada lado do ponto mais baixo da oscilação do pêndulo. Isso é chamado de "estar em ritmo". Isso ocorre porque empurrar um pêndulo quando ele está se movendo para o meio do balanço faz com que ele ganhe, enquanto empurrá-lo enquanto ele está se afastando do meio do balanço o faz perder. Se o impulso for distribuído uniformemente, ele fornecerá energia ao pêndulo sem alterar o tempo de sua oscilação.

O período do pêndulo depende ligeiramente do tamanho do balanço. Se a amplitude mudar de 4 ° para 3 °, o período do pêndulo diminuirá em cerca de 0,013 por cento, o que se traduz em um ganho de cerca de 12 segundos por dia. Isso é causado pelo fato de a força restauradora no pêndulo ser circular e não linear; assim, o período do pêndulo é apenas aproximadamente linear no regime de aproximação do pequeno ângulo . Para ser independente do tempo, o caminho deve ser cicloidal . Para minimizar o efeito com amplitude, as oscilações do pêndulo são mantidas tão pequenas quanto possível.

É importante notar que, como regra, qualquer que seja o método de impulso, a ação do escapamento deve ter o menor efeito sobre o oscilador que pode ser alcançado, seja um pêndulo ou a balança de um relógio. Este efeito, que todos os escapes têm em maior ou menor grau, é conhecido como erro de escapamento .

Qualquer escapamento com fricção deslizante precisará de lubrificação, mas à medida que isso se deteriora, o atrito aumentará e, talvez, energia insuficiente será transferida para o dispositivo de cronometragem. Se o dispositivo de cronometragem for um pêndulo, as forças de atrito aumentadas diminuirão o fator Q , aumentando a banda de ressonância e diminuindo sua precisão. Para relógios acionados por mola, a força de impulso aplicada pela mola muda conforme a mola é desenrolada, seguindo a lei de Hooke . Para relógios acionados por gravidade, a força de impulso também aumenta conforme o peso de acionamento cai e mais corrente suspende o peso do trem de engrenagens; na prática, entretanto, esse efeito só é visto em grandes relógios públicos e pode ser evitado por uma cadeia de circuito fechado.

Relógios de pulso e relógios menores não usam pêndulos como dispositivo de cronometragem. Em vez disso, eles usam uma mola de equilíbrio : uma mola fina conectada a uma roda de equilíbrio de metal que oscila (gira para frente e para trás). A maioria dos relógios mecânicos modernos tem uma frequência de trabalho de 3 a 4  Hz , ou 6 a 8 batimentos por segundo (21.600 a 28.800 batimentos por hora; bph). Velocidades mais rápidas ou mais lentas são usadas em alguns relógios (33.600  bph ou 19.800  bph). A frequência de trabalho depende da rigidez da mola de equilíbrio ( constante da mola ); para manter o tempo, a rigidez não deve variar com a temperatura. Conseqüentemente, as molas de equilíbrio usam ligas sofisticadas; nesta área, a relojoaria ainda está avançando. Tal como acontece com o pêndulo, o escape deve fornecer um pequeno chute a cada ciclo para manter a oscilação da roda do balanço. Além disso, o mesmo problema de lubrificação ocorre com o tempo; o relógio perderá a precisão (normalmente irá acelerar) quando a lubrificação do escapamento começar a falhar.

Os relógios de bolso foram os predecessores dos relógios de pulso modernos. Os relógios de bolso, estando no bolso, geralmente ficavam na orientação vertical. A gravidade causa alguma perda de precisão, pois aumenta com o tempo qualquer falta de simetria no peso da balança. O turbilhão foi inventado para minimizar isso: o equilíbrio e a mola são colocados em uma gaiola que gira (normalmente, mas não necessariamente, uma vez por minuto), suavizando as distorções gravitacionais. Este relógio muito inteligente e sofisticado é uma complicação valorizada em relógios de pulso, embora o movimento natural do usuário tenda a suavizar as influências gravitacionais de qualquer maneira.

O relógio mecânico mais preciso produzido comercialmente foi o relógio de pêndulo livre eletromecânico Shortt-Synchronome inventado por WH Shortt em 1921, que tinha uma incerteza de cerca de 1 segundo por ano. O relógio mecânico mais preciso até hoje é provavelmente o relógio eletromecânico de Littlemore, construído pelo famoso arqueólogo ET Hall na década de 1990. No artigo de Hall, ele relata uma incerteza de 3 partes em 10 9 medidas ao longo de 100 dias (uma incerteza de cerca de 0,02 segundos nesse período). Ambos os relógios são eletromecânicos : eles usam um pêndulo como elemento de marcação do tempo, mas energia elétrica em vez de um trem de engrenagem mecânica para fornecer energia ao pêndulo.

Escapes mecânicos

Desde 1658, quando a introdução do pêndulo e da mola de equilíbrio tornaram possíveis relógios precisos, estima-se que mais de trezentos escapamentos mecânicos diferentes foram concebidos, mas apenas cerca de 10 foram amplamente utilizados. Eles são descritos a seguir. No século 20, os métodos de cronometragem elétrica substituíram os relógios mecânicos e relógios, então o design de escapes tornou-se uma curiosidade pouco conhecida.

Escapamento de orla

Escape de borda mostrando (c) roda de coroa, (v) haste de borda, (p, q) paletes. A orientação é mostrada para uso com um pêndulo. Quando usado com um foliot, a roda e a haste são verticais.
Borda e foliot do relógio De Vick, construído em 1379, Paris
Animação de um escape de beira

O primeiro escapamento mecânico, de cerca de 1275), foi o escapamento da orla , também conhecido como escapamento da roda-coroa. Foi usado nos primeiros relógios mecânicos e era originalmente controlado por um foliot , uma barra horizontal com pesos em cada extremidade. O escape consiste em uma roda de escape em forma de coroa, com dentes pontiagudos que se projetam axialmente para fora da lateral, orientados horizontalmente. Na frente da roda da coroa está um eixo vertical, preso ao foliot no topo, e que carrega duas placas de metal (paletes) saindo como bandeiras de um mastro de bandeira, orientadas a cerca de noventa graus de distância, de modo que apenas uma engata na roda da coroa dentes de cada vez. Conforme a roda gira, um dente empurra o palete superior, girando o eixo e o foliot anexado. Conforme o dente empurra para além do palete superior, o palete inferior oscila no caminho dos dentes do outro lado da roda. Um dente fica preso no palete inferior, girando o eixo de volta para o outro lado, e o ciclo se repete. Uma desvantagem do escape era que cada vez que um dente pousava em um palete, o impulso do foliot empurra a roda da coroa para trás uma curta distância antes que a força da roda inverta o movimento. Isso é chamado de " recuo " e era uma fonte de desgaste e imprecisão.

A beira foi o único escape usado em relógios e relógios por 350 anos. Em relógios movidos a molas e relógios, era necessário um fusé para equilibrar a força da mola principal . Foi usado nos primeiros relógios de pêndulo por cerca de 50 anos depois que o relógio de pêndulo foi inventado em 1656. Em um relógio de pêndulo, a roda de coroa e o mastro eram orientados de forma que ficassem na horizontal, e o pêndulo era pendurado no mastro. No entanto, a beira é o mais impreciso dos escapes comuns e, após a introdução do pêndulo na década de 1650, a beira começou a ser substituída por outros escapes, sendo abandonada apenas no final do século XIX. Por esta altura, a moda dos relógios finos exigia que a roda de escape fosse muito pequena, ampliando os efeitos do desgaste, e quando um relógio deste período é encerrado hoje, frequentemente será descoberto que funciona muito rápido, ganhando muitos horas por dia.

Escape cross-beat

Jost Bürgi inventou o escape cross-beat em 1584, uma variação do escape da orla que tinha dois foliots que giravam em direções opostas. De acordo com relatos contemporâneos, seus relógios alcançaram uma precisão notável de um minuto por dia, duas ordens de magnitude melhor do que outros relógios da época. No entanto, essa melhoria provavelmente não foi devido ao escapamento em si, mas sim a um melhor acabamento e sua invenção do remontoire , um dispositivo que isolava o escapamento de mudanças na força motriz. Sem uma mola de equilíbrio, a batida cruzada não teria sido mais isócrona do que a borda.

Escapamento de Galileu

(esquerda) Desenho original de cerca de 1637 do relógio de pêndulo projetado por Galileu, incorporando o escapamento. (direita) Modelo do escapamento

O escape de Galileu é um projeto para um escape de relógio, inventado por volta de 1637 pelo cientista italiano Galileo Galilei (1564 - 1642). Foi o primeiro projeto de um relógio de pêndulo . Como já estava cego, Galileu descreveu o dispositivo para seu filho, que o desenhou. O filho começou a construção de um protótipo, mas ele e Galileu morreram antes que fosse concluído.

Escapamento de âncora

Animação de escapamento de âncora

Inventada por volta de 1657 por Robert Hooke , a âncora (veja a animação à direita) rapidamente substituiu a borda para se tornar o escapamento padrão usado em relógios de pêndulo durante o século XIX. Sua vantagem era que reduzia os ângulos largos de oscilação do pêndulo para 3-6 °, tornando o pêndulo quase isócrono e permitindo o uso de pêndulos mais longos e mais lentos, que usavam menos energia. A âncora é responsável pelo formato longo e estreito da maioria dos relógios de pêndulo e pelo desenvolvimento do relógio de pêndulo , o primeiro relógio âncora a ser vendido comercialmente, que foi inventado por volta de 1680 por William Clement, que disputou o crédito pelo escapamento com Hooke. O escapamento aumentou a precisão dos relógios de pêndulo a tal ponto que o ponteiro dos minutos foi adicionado ao mostrador do relógio no final dos anos 1600 (antes disso, os relógios tinham apenas o ponteiro das horas).

A âncora consiste em uma roda de escape com dentes pontiagudos e inclinados para trás e uma peça em forma de "âncora" articulada acima dela que balança de um lado para o outro, ligada ao pêndulo. A âncora possui paletes inclinados nos braços que se prendem alternadamente nos dentes da roda de escape, recebendo os impulsos. Mecanicamente, seu funcionamento tem semelhanças com o escape da borda e tem duas das desvantagens da borda: (1) O pêndulo é constantemente empurrado por um dente da roda de escape ao longo de seu ciclo e nunca pode oscilar livremente, o que perturba seu isocronismo, e (2) é um escape de recuo ; a âncora empurra a roda de escape para trás durante parte de seu ciclo. Isso causa folga , aumento do desgaste das engrenagens do relógio e imprecisão. Esses problemas foram eliminados no escape deadbeat , que aos poucos substituiu a âncora nos relógios de precisão.

Escape Deadbeat

Escape Deadbeat. mostrando: (a) roda de escape (b) paletes (c) muleta pendular.

O escape de Graham ou calote foi uma melhoria do escape de âncora feito pela primeira vez por Thomas Tompion para um projeto de Richard Towneley em 1675, embora seja frequentemente creditado ao sucessor de Tompion, George Graham, que o popularizou em 1715. No escape de âncora, o balanço do pêndulo empurra a roda de escape para trás durante parte de seu ciclo. Este 'recuo' perturba o movimento do pêndulo, causando imprecisão e inverte a direção do trem de engrenagens, causando folga e introduzindo altas cargas no sistema, levando ao atrito e desgaste. A principal vantagem do deadbeat é eliminar o recuo.

No deadbeat, os paletes têm uma segunda face curva de "travamento", concêntrica em torno do pivô em que a âncora gira. Durante as extremidades da oscilação do pêndulo, o dente da roda de escape repousa contra essa face de travamento, não fornecendo nenhum impulso ao pêndulo, o que impede o recuo. Perto da parte inferior da oscilação do pêndulo, o dente desliza da face de travamento para a face de "impulso" angular, dando um empurrão no pêndulo, antes que o palete libere o dente. O deadbeat foi usado pela primeira vez em relógios reguladores de precisão, mas devido à maior precisão substituiu a âncora no século XIX. É usado em quase todos os relógios de pêndulo modernos, exceto nos relógios de torre, que costumam usar escapes de gravidade.

Escape de roda de pino

Escape da roda do pino do relógio da torre South Mymms

Inventado por volta de 1741 por Louis Amant, esta versão de um escapamento caloteiro pode ser bastante robusta. Em vez de usar dentes, a roda de escape tem pinos redondos que são travados e liberados por uma âncora em forma de tesoura. Este escapamento, que também é chamado de escapamento Amant ou (na Alemanha) escapamento Mannhardt , é freqüentemente usado em relógios de torre.

Escapamento de detenção

Primeira fuga de detenção por Pierre Le Roy 1748.
Escapamento de detenção de Earnshaw, amplamente utilizado em cronômetros.

O escapamento de detenção ou cronômetro é considerado o mais preciso dos escapes da roda do balanço e era usado em cronômetros marítimos , embora alguns relógios de precisão durante os séculos 18 e 19 também o usassem. A forma inicial foi inventada por Pierre Le Roy em 1748, que criou um tipo de escapamento de detenção pivotada, embora fosse teoricamente deficiente. O primeiro projeto eficaz de escapamento de detenção foi inventado por John Arnold por volta de 1775, mas com o detentor articulado. Este escape foi modificado por Thomas Earnshaw em 1780 e patenteado por Wright (para quem ele trabalhou) em 1783; no entanto, conforme descrito na patente, era impraticável. Arnold também projetou um escapamento de detenção de mola, mas, com design aprimorado, a versão de Earnshaw eventualmente prevaleceu, já que a ideia básica passou por várias modificações menores durante a última década do século XVIII. A forma final apareceu por volta de 1800, e esse design foi usado até que os cronômetros mecânicos se tornaram obsoletos na década de 1970.

O detentor é um escape separado; ele permite que a roda do balanço gire sem ser perturbada durante a maior parte de seu ciclo, exceto o breve período de impulso, que é dado apenas uma vez por ciclo (a cada dois giros). Como o dente da roda de escape motriz se move quase paralelamente ao palete, o escapamento tem pouco atrito e não precisa ser lubrificado. Por essas razões, entre outras, o detentor foi considerado o escape mais preciso para relógios de roda de balanço. John Arnold foi o primeiro a usar o escapamento de detenção com uma mola de balanço overcoil (patenteado em 1782), e com essa melhoria seus relógios foram os primeiros cronometristas de bolso realmente precisos, marcando o tempo em 1 ou 2 segundos por dia. Estes foram produzidos a partir de 1783.

No entanto, o escapamento tinha desvantagens que limitavam seu uso em relógios: era frágil e exigia manutenção especializada; não era de partida automática, portanto, se o uso do relógio fosse sacudido e a roda do balanço parasse, ele não ligaria novamente; e era mais difícil de fabricar em volume. Portanto, o escape da alavanca de autoinicialização tornou-se dominante nos relógios.

Escape de cilindro

Escape do cilindro. A roda de equilíbrio está presa ao cilindro, B
Animação do escape do cilindro mostrando como a peça do cilindro funciona

O escapamento horizontal ou cilíndrico, inventado por Thomas Tompion em 1695 e aperfeiçoado por George Graham em 1726, foi um dos escapes que substituiu o escapamento de orla em relógios de bolso após 1700. Uma grande atração era que era muito mais fino do que a orla, permitindo relógios para ser feito na moda elegante. Os relojoeiros descobriram que ele sofria de desgaste excessivo, por isso não foi muito usado durante o século 18, exceto em alguns relógios de última geração com cilindros feitos de rubi . Os franceses resolveram esse problema fazendo o cilindro e a roda de escape de aço endurecido, e o escapamento foi usado em grande número em relógios de bolso franceses e suíços baratos e pequenos relógios de meados do século 19 ao século 20.

Em vez de paletes, o escapamento usa um cilindro recortado no eixo da roda do balanço, no qual os dentes de escape entram um por um. Cada dente em forma de cunha impulsiona a roda de equilíbrio pela pressão na borda do cilindro conforme ele entra, é mantido dentro do cilindro conforme ele gira e impulsiona a roda novamente quando ela sai do outro lado. A roda geralmente tinha 15 dentes e impulsionava a balança em um ângulo de 20 ° a 40 ° em cada direção. É um escape de descanso de fricção, com os dentes em contato com o cilindro ao longo de todo o ciclo da roda do balanço e, portanto, não era tão preciso quanto os escapes "destacados" como a alavanca, e as altas forças de atrito causavam desgaste excessivo e exigiam limpeza mais frequente .

Escape Duplex

Escape duplex, mostrando (A) roda de escape, (B) dente de travamento, (C) dente de impulso, (D) palete, (E) disco de rubi. O palete e o disco são fixados na árvore do balancim, mas a roda não é mostrada.

O escapamento de relógio duplex foi inventado por Robert Hooke por volta de 1700, aprimorado por Jean Baptiste Dutertre e Pierre Le Roy e colocado em sua forma final por Thomas Tyrer, que o patenteou em 1782. As primeiras formas tinham duas rodas de escape. O escapamento duplex era difícil de fazer, mas alcançava uma precisão muito maior do que o escapamento do cilindro, e podia se igualar ao do escapamento de alavanca (anterior) e, quando feito com cuidado, era quase tão bom quanto um escapamento de detenção . Foi usado em relógios de bolso ingleses de qualidade de cerca de 1790 a 1860, e no Waterbury, um relógio americano barato para o homem comum, durante 1880-1898.

No duplex, como no escapamento do cronômetro com o qual possui semelhanças, a roda do balanço só recebe um impulso durante uma das duas oscilações de seu ciclo. A roda de escape tem dois conjuntos de dentes (daí o nome 'duplex'); dentes de travamento longos projetam-se da lateral da roda e dentes de impulso curtos projetam-se axialmente do topo. O ciclo começa com um dente bloqueado apoiado no disco de rubi. Conforme a roda do balanço oscila no sentido anti-horário através de sua posição central, o entalhe no disco de rubi libera o dente. Conforme a roda de escape gira, o palete fica na posição certa para receber o impulso de um dente impulsionado. Em seguida, o próximo dente de bloqueio cai sobre o rolo de rubi e permanece lá enquanto a roda do balanço completa seu ciclo e gira para trás no sentido horário (CW), e o processo se repete. Durante a oscilação CW, o dente de impulso cai momentaneamente no entalhe do rolo de rubi novamente, mas não é liberado.

O duplex é tecnicamente um escape de descanso friccional ; o dente apoiado no rolo adiciona algum atrito à roda do balanço durante seu movimento, mas isso é mínimo. Como no cronômetro , há pouca fricção de deslizamento durante o impulso, pois o palete e o dente de impulso estão se movendo quase paralelos, portanto, pouca lubrificação é necessária. No entanto, perdeu o favor para a alavanca; suas tolerâncias estreitas e sensibilidade ao choque tornavam os relógios duplex inadequados para pessoas ativas. Como o cronômetro, ele não liga automaticamente e é vulnerável à "configuração"; se um jarro repentino interromper o equilíbrio durante sua oscilação CW, ele não poderá ser reiniciado.

Escapamento de alavanca

Escapamento de alavanca em linha ou suíço.
Animação do escape da alavanca mostrando apenas o movimento da alavanca

O escapamento de alavanca , inventado por Thomas Mudge em 1750, tem sido usado na grande maioria dos relógios desde o século XIX. Suas vantagens são (1) é um escapamento "destacado"; ao contrário dos escapes de cilindro ou duplex, a roda do balanço está apenas em contato com a alavanca durante o curto período de impulso quando ela oscila através de sua posição central e oscila livremente pelo resto do seu ciclo, aumentando a precisão, e (2) é uma partida automática escape, portanto, se o relógio for sacudido de modo que a roda do balanço pare, ele começará de novo automaticamente. A forma original era o escapamento da alavanca da cremalheira, em que a alavanca e a roda do balanço estavam sempre em contato por meio de uma cremalheira na alavanca. Mais tarde, percebeu-se que todos os dentes das engrenagens poderiam ser removidos, exceto um, e isso criou o escape da alavanca destacada. Os relojoeiros britânicos usaram a alavanca destacada inglesa, na qual a alavanca formava um ângulo reto com a roda do balanço. Mais tarde, os fabricantes suíços e americanos usaram a alavanca em linha, na qual a alavanca fica em linha entre a roda do balanço e a roda de escape; esta é a forma usada nos relógios modernos. Em 1867, Georges Frederic Roskopf inventou uma forma barata e menos precisa chamada Roskopf ou escapamento de pin-pallet , que era usado em " relógios de dólar " baratos no início do século 20 e ainda é usado em despertadores baratos e cronômetros de cozinha.

Escape de gafanhoto

Escape de gafanhoto, 1820
Animação de uma forma de escape de gafanhoto.

Um escapamento mecânico raro, mas interessante, é o escapamento gafanhoto de John Harrison , inventado em 1722. Nesse escapamento, o pêndulo é movido por dois braços articulados (paletes). Conforme o pêndulo oscila, a extremidade de um braço pega a roda de escape e a empurra ligeiramente para trás; isso libera o outro braço que se move para fora do caminho para permitir a passagem da roda de escape. Quando o pêndulo balança para trás novamente, o outro braço pega a roda, empurra-a para trás e libera o primeiro braço e assim por diante. O escapamento gafanhoto foi usado em pouquíssimos relógios desde a época de Harrison. Os escapes de gafanhotos feitos por Harrison no século 18 ainda estão operando. A maioria dos escapes se desgasta muito mais rapidamente e gasta muito mais energia. No entanto, como outros escapes iniciais, o gafanhoto impulsiona o pêndulo ao longo de seu ciclo; nunca é permitido balançar livremente, causando erros devido a variações na força motriz, e os relojoeiros do século 19 o acharam não competitivo com escapes mais separados como o caloteiro. No entanto, com bastante cuidado na construção, é capaz de precisão. Um moderno relógio experimental de gafanhoto, o Burgess Clock B, teve um erro medido de apenas 58 de um segundo durante 100 dias corridos. Após dois anos de operação, apresentou um erro de apenas ± 0,5 seg, após a correção barométrica.

Escape duplo de gravidade com três pernas

Escapamento de gravidade

Um escape de gravidade usa um pequeno peso ou uma mola fraca para dar um impulso direto ao pêndulo. A forma mais antiga consistia em dois braços que giravam muito perto da mola de suspensão do pêndulo, com um braço de cada lado do pêndulo. Cada braço carregava um pequeno palete morto com um plano em ângulo levando a ele. Quando o pêndulo levantasse um braço o suficiente, seu estrado liberaria a roda de escape. Quase imediatamente, outro dente da roda de escape começaria a deslizar para cima na face angular do outro braço, levantando o braço. Ele alcançaria o palete e pararia. O outro braço, entretanto, ainda estava em contato com o pêndulo e descendo novamente para um ponto mais baixo do que tinha começado. Esse abaixamento do braço fornece o impulso para o pêndulo. O projeto foi desenvolvido continuamente de meados do século 18 a meados do século 19. Ele acabou se tornando o escape preferido para relógios de torre , porque seus trens de roda estão sujeitos a grandes variações na força motriz causada pelos grandes ponteiros externos, com suas cargas variáveis ​​de vento, neve e gelo. Uma vez que, em um escape por gravidade, a força motriz do trem de rodas não impele ela própria o pêndulo, mas apenas reconfigura os pesos que fornecem o impulso, o escape não é afetado por variações na força motriz.

O 'Escapamento Gravitacional Duplo de Três Pernas' mostrado aqui é uma forma de escape inventada inicialmente por um advogado chamado Bloxam e posteriormente aprimorada por Lord Grimthorpe . É o padrão para todos os relógios de 'Torre' precisos.

Na animação mostrada aqui, os dois "braços de gravidade" são coloridos em azul e vermelho. As duas rodas de escape de três pernas também são coloridas em azul e vermelho. Eles trabalham em dois planos paralelos, de modo que a roda azul só impacta o bloco de travamento no braço azul e a roda vermelha impacta apenas o braço vermelho. Em um escape real, esses impactos dão origem a "tiques" sonoros altos e são indicados pelo aparecimento de um * ao lado dos blocos de travamento. Os três pinos de levantamento pretos são a chave para o funcionamento do escapamento. Eles fazem com que os braços de gravidade ponderados sejam levantados em um valor indicado pelo par de linhas paralelas em cada lado do escapamento. Este ganho de energia potencial é a energia dada ao pêndulo em cada ciclo. Para o Trinity College Cambridge Clock, uma massa de cerca de 50 gramas é elevada através de 3 mm a cada 1,5 segundos - o que resulta em 1 mW de potência. A força motriz do peso em queda é de cerca de 12 mW, portanto, há um excesso substancial de força usada para acionar o escapamento. Grande parte dessa energia é dissipada na aceleração e desaceleração da "mosca" de fricção presa às rodas de escape.

O grande relógio em Westminster que toca o Big Ben de Londres usa um escape duplo de gravidade com três pernas.

Escapamento coaxial

Escapamento coaxial
Animação de escape coaxial

Inventado por volta de 1974 e patenteado em 1980 pelo relojoeiro britânico George Daniels , o escape coaxial é um dos poucos novos escapes de relógio adotados comercialmente nos tempos modernos. Ele pode ser classificado como um escape destacado.

Poderia ser considerado como tendo suas origens distantes no escapamento inventado por Robert Robin, C.1792, que dá um único impulso em uma direção; com o travamento obtido por paletes de alavanca passiva, o design do escapamento coaxial é mais semelhante ao de outra variante Robin, o escapamento Fasoldt, que foi inventado e patenteado pelo americano Charles Fasoldt em 1859. Ambos os escapamentos Robin e Fasoldt impulsionam apenas uma direção. O último escape possui uma alavanca com quedas desiguais; isso se engata com duas rodas de escape de diâmetros diferentes. A roda de impulso menor atua no palete único na extremidade da alavanca, enquanto os paletes de alavanca pontiaguda travam na roda maior. A balança engata e é impulsionada pela alavanca por meio de um pino de rolo e um garfo de alavanca. O palete 'âncora' de alavanca trava a roda maior e, ao ser destravada, um palete na extremidade da alavanca é impulsionado pela roda menor através do garfo da alavanca. O curso de retorno é 'morto', com os paletes 'âncora' servindo apenas para travar e destravar, o impulso sendo dado em uma direção através do palete de alavanca única. Como no duplex, a roda de travamento é maior para reduzir a pressão e, portanto, o atrito.

O escape Daniels, no entanto, atinge um impulso duplo com paletes de alavanca passiva que servem apenas para travar e destravar a roda maior. Por um lado, o impulso é dado por meio da roda menor atuando sobre o palete de alavancas através do rolo e pino de impulso. No retorno, a alavanca novamente desbloqueia a roda maior, que dá um impulso diretamente em um rolo de impulso na balança.

A principal vantagem é que isso permite que os dois impulsos ocorram na linha central ou em torno dela, com fricção desengatada em ambas as direções. Por causa disso, o escape coaxial deve, em teoria, funcionar de forma eficaz sem lubrificação. Este modo de impulso é, em teoria, superior ao escape da alavanca, que engata a fricção no palete de entrada. Por muito tempo, isso foi reconhecido como uma influência perturbadora no isocronismo da balança.

Os compradores não compram mais relógios mecânicos principalmente por sua precisão, de modo que os fabricantes tinham pouco interesse em investir nas ferramentas necessárias, embora finalmente a Omega as tenha adotado em 1990.

Embora seja um projeto de escapamento altamente engenhoso, o coaxial Daniels ainda precisa de lubrificação para os pivôs da palete de alavanca. Além disso, devido à sua geometria, a roda de impulso só pode ter um número limitado de dentes, sendo necessário ter uma roda e um pinhão extras no trem de rodas, cujos pivôs também precisam ser lubrificados. Portanto, as vantagens deste escape sobre a alavanca são de valor incerto.

Outros escapes de relógio modernos

Ilustração do escape constante por Girard-Perregaux

Uma vez que uma precisão muito maior do que qualquer relógio mecânico é alcançável com relógios de quartzo de baixo custo , designs de escapamento aprimorados não são mais motivados por necessidades práticas de cronometragem, mas como novidades no mercado de relógios de ponta, que é o último bastião remanescente do relógio mecânico. Em um esforço para atrair publicidade, nas últimas décadas alguns fabricantes de relógios mecânicos de ponta introduziram novos escapes. Nenhum deles foi adotado por qualquer relojoeiro além de seu criador original.

Com base nas patentes inicialmente apresentadas pela Rolex em nome do inventor Nicolas Déhon, o escape constante foi desenvolvido pela Girard-Perregaux como protótipos funcionais em 2008 (Nicolas Déhon era então chefe do departamento de P&D da Girard-Perregaux) e em relógios em 2013.

O principal componente deste escapamento é uma lâmina de silicone que armazena energia elástica. Essa lâmina é flexionada até um ponto próximo ao seu estado instável e é liberada com um estalo a cada giro da roda do balanço para dar um impulso à roda, após o qual é armada novamente pelo trem de rodas. A vantagem reivindicada é que, uma vez que a lâmina transmite a mesma quantidade de energia à roda em cada liberação, a roda do balanço é isolada das variações na força de impulso devido ao trem da roda e à mola principal que causam imprecisões em escapes convencionais.

Parmigiani Fleurier com seu escapamento Genequand e Ulysse Nardin com seu escapamento Ulysse Anchor aproveitaram as propriedades das molas planas de silício. O relojoeiro independente De Bethune desenvolveu um conceito em que um ímã faz um ressonador vibrar em alta frequência, substituindo a tradicional mola de equilíbrio .

Escapamentos eletromecânicos

No final do século 19, escapamentos eletromecânicos foram desenvolvidos para relógios de pêndulo. Nestes, um interruptor ou fototubo energizava um eletroímã para uma breve seção da oscilação do pêndulo. Em alguns relógios, o pulso de eletricidade que acionava o pêndulo também acionava um êmbolo para mover o trem de engrenagens.

Relógio hipp

Em 1843, Matthäus Hipp mencionou pela primeira vez um relógio puramente mecânico acionado por um interruptor chamado "echappement à palette". Uma versão variada desse escape tem sido usada desde 1860 dentro de relógios de pêndulo acionados eletricamente, o chamado "hipp-toggle". Desde a década de 1870, em uma versão melhorada, o pêndulo acionava uma roda dentada por meio de uma lingueta na haste do pêndulo, e a roda dentada dirigia o resto do trem do relógio para indicar as horas. O pêndulo não foi impulsionado em todas as oscilações ou mesmo em um determinado intervalo de tempo. Ele só foi impulsionado quando seu arco de balanço decaiu abaixo de um certo nível. Além da lingüeta de contagem, o pêndulo carregava uma pequena aleta, conhecida como alavanca de Hipp, girada no topo, que estava completamente livre para girar. Ele foi colocado de modo que se arrastasse por um bloco triangular polido com uma ranhura em V no topo. Quando o arco de oscilação do pêndulo era grande o suficiente, a palheta cruzou a ranhura e girou livremente do outro lado. Se o arco fosse muito pequeno, a palheta nunca deixava o outro lado da ranhura e, quando o pêndulo balançava para trás, empurrava o bloco com força para baixo. O bloco carregava um contato que completava o circuito até o eletroímã que impulsionava o pêndulo. O pêndulo foi impulsionado apenas quando necessário.

Este tipo de relógio foi amplamente utilizado como relógio mestre em grandes edifícios para controlar vários relógios escravos. A maioria das centrais telefônicas usava esse relógio para controlar eventos cronometrados, como os necessários para controlar a configuração e cobrança de chamadas telefônicas, emitindo pulsos de durações variadas, como a cada segundo, seis segundos e assim por diante.

Interruptor de sincronização

Projetado em 1895 por Frank Hope-Jones , o switch Synchronome foi amplamente usado em relógios principais e também foi a base do pêndulo escravo no relógio de pêndulo livre Shortt-Synchronome. Um braço de recolhimento preso ao pêndulo move uma roda de contagem de 15 dentes uma posição, com uma lingueta impedindo o movimento na direção reversa. A roda tem uma palheta acoplada que, uma vez a cada 30 segundos de giro, libera o braço de gravidade. Quando o braço de gravidade cai, ele empurra um palete preso diretamente ao pêndulo, empurrando-o. Assim que o braço cai, ele faz um contato elétrico que energiza um eletroímã para reiniciar o braço de gravidade e atua como um impulso de meio minuto para os relógios escravos.

Relógio de pêndulo grátis

No século 20, o horologista inglês William Hamilton Shortt inventou um relógio de pêndulo livre, patenteado em setembro de 1921 e fabricado pela Synchronome Company, com uma precisão de um centésimo de segundo por dia. Neste sistema o pêndulo "mestre" de cronometragem, cuja haste é feita de uma liga de aço especial com 36% de níquel chamado Invar, cujo comprimento muda muito pouco com a temperatura, oscila o mais livre possível de influências externas vedado em uma câmara de vácuo e não funciona . Ele está em contato mecânico com seu escapamento por apenas uma fração de segundo a cada 30 segundos. Um pêndulo "escravo" secundário gira uma catraca, que dispara um eletroímã um pouco menos do que a cada trinta segundos. Este eletroímã libera uma alavanca de gravidade no escapamento acima do pêndulo mestre. Uma fração de segundo depois (mas exatamente a cada 30 segundos), o movimento do pêndulo mestre libera a alavanca de gravidade para cair mais longe. No processo, a alavanca de gravidade dá um pequeno impulso ao pêndulo mestre, que o mantém em movimento. A alavanca de gravidade cai sobre um par de contatos, completando um circuito que faz várias coisas:

  1. energiza um segundo eletroímã para elevar a alavanca de gravidade acima do pêndulo mestre para sua posição superior,
  2. envia um pulso para ativar um ou mais mostradores de relógio, e
  3. envia um pulso a um mecanismo de sincronização que mantém o pêndulo escravo em sintonia com o pêndulo mestre.

Por ser o pêndulo escravo que libera a alavanca de gravidade, essa sincronização é vital para o funcionamento do relógio. O mecanismo de sincronização usava uma pequena mola presa ao eixo do pêndulo escravo e uma armadura eletromagnética que pegaria a mola se o pêndulo escravo estivesse um pouco atrasado, encurtando assim o período do pêndulo escravo para uma oscilação. O pêndulo escravo foi ajustado para funcionar ligeiramente devagar, de modo que em aproximadamente todos os outros pulsos de sincronização a mola seria capturada pela armadura.

Essa forma de relógio se tornou um padrão para uso em observatórios (cerca de 100 desses relógios foram fabricados) e foi o primeiro relógio capaz de detectar pequenas variações na velocidade de rotação da Terra.

Veja também

Referências

  • Britten, Frederick J. (1881). The Watch and Clockmaker's Handbook, 4ª Ed . Londres: W. Kent & Co., p. 56-58
  • Beckett, Edmund; Cunynghame, Henry Hardinge (1911). "Assistir"  . Em Chisholm, Hugh (ed.). Encyclopædia Britannica . 28 (11ª ed.). Cambridge University Press. pp. 362–366.
  • Glasgow, David (1885). Assistir e fazer relógios . Londres:. Cassel & Co. pp  137 -154.
  • Milham, Willis I. (1945). Tempo e cronometristas . Nova York: MacMillan. ISBN 0-7808-0008-7.
  • Rawlings, Arthur Lionel (1993). The Science of Clocks and Watches, 3rd Ed . Upton, Reino Unido: The British Horological Institute. ISBN 0-9509621-3-9.

Notas

Leitura adicional

  • Denn, Mark, "The Tourbillon and How It Works", IEEE Control Systems Magazine , junho de 2010, IEEE Control Systems Society , DOI 10.1109 / MCS.2010.936291.

links externos