Reloj
Definición
Un reloj es un instrumento utilizado para medir, mantener e indicar el tiempo. El reloj es uno de los inventos humanos más antiguos, que satisface la necesidad de medir intervalos de tiempo más cortos que las unidades naturales: el día, el mes lunar y el año. Los dispositivos que operan en varios procesos físicos se han utilizado durante milenios.
Algunos predecesores del reloj moderno se pueden considerar como "relojes" que se basan en el movimiento en la naturaleza: un reloj de sol muestra el tiempo al mostrar la posición de una sombra sobre una superficie plana. Hay una gama de temporizadores de duración, un ejemplo conocido es el reloj de arena. Los relojes de agua, junto con los relojes de sol, son posiblemente los instrumentos de medición del tiempo más antiguos. Un gran avance se produjo con la invención del escape de borde, que hizo posible los primeros relojes mecánicos alrededor de 1300 en Europa, que mantienen el tiempo con cronometradores oscilantes como ruedas de equilibrio.
Un instrumento silencioso que no tiene un mecanismo tan llamativo se ha conocido tradicionalmente como un reloj . En el uso general hoy en día, un "reloj" se refiere a cualquier dispositivo para medir y mostrar la hora. Relojes y otros relojes que se pueden llevar en la persona a menudo se distinguen de los relojes. Los relojes de resorte aparecieron durante el siglo XV. Durante los siglos XV y XVI floreció la relojería. El siguiente desarrollo en exactitud ocurrió después de 1656 con la invención del reloj de péndulo. Un importante estímulo para mejorar la precisión y la fiabilidad de los relojes fue la importancia de mantener el tiempo preciso para la navegación. El reloj eléctrico fue patentado en 1840. El desarrollo de la electrónica en el siglo 20 dio lugar a relojes sin piezas de relojería en absoluto.
El elemento de control de tiempo en cada reloj moderno es un oscilador armónico, un objeto físico (resonador) que vibra u oscila a una frecuencia particular. Este objeto puede ser un péndulo, un diapasón, un cristal de cuarzo o la vibración de los electrones en los átomos a medida que emiten microondas.
Los relojes tienen diferentes formas de mostrar el tiempo, conectados a su tipo de mecanismo interno: los relojes analógicos generalmente indican el tiempo usando ángulos. Los relojes digitales muestran una representación numérica del tiempo. Dos formatos de visualización numérica se utilizan comúnmente en relojes digitales: notación de 24 horas y notación de 12 horas. La mayoría de los relojes digitales utilizan mecanismos electrónicos y pantallas LCD, LED o VFD. Por conveniencia, distancia, telefonía o ceguera, los relojes auditivos presentan el tiempo como sonidos. También hay relojes para ciegos que tienen pantallas que se pueden leer usando el sentido del tacto. Algunos de estos son similares a las pantallas analógicas normales, pero están construidos para que las manos se puedan sentir sin dañarlas. La evolución de la tecnología de relojes continúa hoy. El estudio de la relojería se conoce como horología.
Historia
Etimología
El reloj de palabras se deriva (a través de holandés, francés del norte y latín medieval) de las palabras celtas clagan y clocca que significa "campana".
Dispositivos de medición de tiempo
Relojes de sol
La posición aparente del Sol en el cielo se mueve en el transcurso de cada día, reflejando la rotación de la Tierra. Las sombras proyectadas por objetos estacionarios se mueven de manera correspondiente, por lo que sus posiciones pueden usarse para indicar la hora del día. Un reloj de sol muestra el tiempo al mostrar la posición de una sombra en una superficie plana (generalmente), que tiene marcas que corresponden a las horas. Los relojes de sol pueden ser horizontales, verticales o en otras orientaciones. Los relojes de sol fueron ampliamente utilizados en la antigüedad. Con el conocimiento de la latitud, un reloj de sol bien construido puede medir el tiempo solar local con una precisión razonable, en uno o dos minutos. Los relojes de sol continuaron siendo utilizados para monitorear el rendimiento de los relojes hasta la era moderna. Sin embargo, las limitaciones prácticas, como que los relojes de sol solo funcionan bien en días relativamente claros, y nunca durante la noche, alentó el desarrollo de otras técnicas para medir y mostrar el tiempo. El Jantar Mantar en Delhi y Jaipur son ejemplos de relojes de sol. Fueron construidos por Maharaja Jai Singh II.
Dispositivos que miden la duración, el tiempo transcurrido y los intervalos
Muchos dispositivos se pueden usar para marcar el paso del tiempo sin respetar el tiempo de referencia (hora del día, minutos, etc.) y pueden ser útiles para medir la duración o los intervalos. Ejemplos de tales temporizadores de duración son relojes de vela, relojes de incienso y el reloj de arena. Tanto el reloj de vela como el reloj de incienso funcionan según el mismo principio, en el que el consumo de recursos es más o menos constante, lo que permite estimaciones de pasos de tiempo razonablemente precisas y repetibles. En el reloj de arena, la arena fina que fluye a través de un pequeño orificio a una velocidad constante indica un paso de tiempo arbitrario y predeterminado. El recurso no se consume sino que se reutiliza.
Agua
Los relojes de agua, también conocidos como Clepsidrae (sg: clepsidra ), junto con los relojes de sol, son posiblemente los instrumentos de medición del tiempo más antiguos, con las únicas excepciones son el gnomon vertical y el conteo de conteo diario. Dada su gran antigüedad, dónde y cuándo existieron por primera vez no se conoce y tal vez no se puede conocer. El flujo en forma de cuenco es la forma más simple de un reloj de agua y se sabe que existió en Babilonia y en Egipto alrededor del siglo XVI a. Otras regiones del mundo, incluyendo India y China, también tienen evidencia temprana de relojes de agua, pero las fechas más tempranas son menos ciertas. Algunos autores, sin embargo, escriben acerca de los relojes de agua que aparecen ya en 4000 aC en estas regiones del mundo.
El astrónomo griego Andrónico de Cyrrhus supervisó la construcción de la Torre de los Vientos en Atenas en el siglo I a. C. Las civilizaciones griega y romana se atribuyen inicialmente al diseño del reloj acuático para incluir engranajes complejos, que se conectaron a autómatas fantasiosos y también mejoraron la precisión . Estos avances se transmitieron a través de Bizancio y la época islámica, y finalmente volvieron a Europa. Independientemente, los chinos desarrollaron sus propios relojes de agua avanzados (水 鐘) en 725 dC, pasando sus ideas a Corea y Japón.
Algunos diseños de relojes de agua se desarrollaron de forma independiente y algunos conocimientos se transfirieron a través de la difusión del comercio. Las sociedades premodernas no tienen los mismos requisitos precisos de cronometraje que existen en las sociedades industriales modernas, donde se supervisa cada hora de trabajo o descanso, y el trabajo puede comenzar o finalizar en cualquier momento, independientemente de las condiciones externas. En cambio, los relojes de agua en las sociedades antiguas se utilizaron principalmente por razones astrológicas. Estos primeros relojes de agua fueron calibrados con un reloj de sol. Aunque nunca alcanzó el nivel de precisión de un reloj moderno, el reloj de agua fue el dispositivo de cronometraje más preciso y comúnmente utilizado durante milenios, hasta que fue reemplazado por el reloj de péndulo más preciso en la Europa del siglo XVII.
Se atribuye a la civilización islámica un mayor avance en la precisión de los relojes con una ingeniería elaborada. En 797 (o posiblemente 801), el califa abasí de Bagdad, Harun al-Rashid, presentó a Carlomagno con un elefante asiático llamado Abul-Abbas junto con un "ejemplo particularmente elaborado" de un reloj de agua. El Papa Silvestre II introdujo relojes en el norte y el oeste de Europa alrededor de 1000AD
En el siglo XIII, Al-Jazari, un ingeniero de Mesopotamia (vivió entre 1136 y 1206) que trabajaba para Artuqid, rey de Diyar-Bakr, Nasir al-Din, hizo numerosos relojes de todas las formas y tamaños. Un libro sobre su trabajo describió 50 dispositivos mecánicos en 6 categorías, incluyendo relojes de agua. Los relojes más reputados incluyen los relojes Elephant, Scribe y Castle, todos los cuales han sido reconstruidos con éxito. Además de decir la hora, estos relojes eran símbolos de estatus, grandeza y riqueza del estado de Urtuq.
Mecánica temprana
La palabra horologia (del griego ὥρα, hora y λέγειν, para contar) se usó para describir los primeros relojes mecánicos, pero el uso de esta palabra (todavía usada en varias lenguas romances) para todos los cronometradores oculta la verdadera naturaleza de los mecanismos. Por ejemplo, hay un registro que en 1176 Sens Cathedral instaló un 'horologe' pero el mecanismo utilizado es desconocido. Según Jocelin de Brakelond, en 1198 durante un incendio en la abadía de St Edmundsbury (ahora Bury St Edmunds), los monjes corrieron al reloj para buscar agua, lo que indica que su reloj de agua tenía un depósito lo suficientemente grande como para ayudar a extinguir el fuego ocasional. El reloj de la palabra (de las palabras célticas clocca y clogan, ambas que significan "campana"), que reemplaza gradualmente a "horologe", sugiere que fue el sonido de las campanas el que también caracterizó el prototipo de los relojes mecánicos que aparecieron durante el siglo XIII en Europa.
Un reloj de rueda dentada accionado por agua fue creado en China en el año 725 por Yi Xing y Liang Lingzan. Esto no se considera un reloj de mecanismo de escape, ya que era unidireccional, el genio y genio de la dinastía Song Su Song (1020-1101) lo incorporó a su monumental innovación de la torre del reloj astronómico de Kaifeng en 1088. Su reloj astronómico y su esfera giratoria armilar todavía confiaba en el uso de agua que fluye durante la primavera, verano, estaciones de otoño y mercurio líquido durante la temperatura de congelación del invierno (es decir, hidráulica). Un reloj de mercurio, descrito en los Libros del sabre, una obra española de 1277 que consiste en traducciones y paráfrasis de obras árabes, a veces se cita como evidencia del conocimiento musulmán de un reloj mecánico. Un reloj de rueda dentada propulsado por mercurio fue creado por Ibn Khalaf al-Muradi
En Europa, entre 1280 y 1320, hay un aumento en el número de referencias a relojes y horloges en los registros de la iglesia, y esto probablemente indica que se había ideado un nuevo tipo de mecanismo de reloj. Los mecanismos de reloj existentes que usaban la energía del agua se estaban adaptando para quitar su poder de conducción de la caída de pesas. Esta potencia fue controlada por alguna forma de mecanismo oscilante, probablemente derivada de los timbres o dispositivos de alarma existentes. Esta liberación controlada de energía, el escape, marca el comienzo del verdadero reloj mecánico, que difería de los relojes de rueda dentada mencionados anteriormente. El mecanismo de escape de filo derivó en el surgimiento de verdaderos relojes mecánicos, que no necesitaban ningún tipo de poder fluido, como agua o mercurio, para funcionar.
Estos relojes mecánicos estaban destinados a dos propósitos principales: para la señalización y la notificación (por ejemplo, el calendario de los servicios y eventos públicos), y para el modelado del sistema solar. El primer propósito es administrativo, el segundo surge naturalmente dados los intereses académicos en astronomía, ciencia, astrología y cómo estos sujetos se integraron con la filosofía religiosa de la época. El astrolabio fue utilizado tanto por astrónomos como por astrólogos, y era natural aplicar un mecanismo de relojería a la placa giratoria para producir un modelo funcional del sistema solar.
Los relojes simples destinados principalmente a la notificación se instalaron en torres, y no siempre requieren caras o manos. Habrían anunciado las horas canónicas o los intervalos entre los tiempos establecidos de oración. Las horas canónicas variaron en longitud a medida que los tiempos de salida y puesta del sol cambiaban. Los relojes astronómicos más sofisticados habrían tenido diales móviles o manos, y habrían mostrado la hora en varios sistemas de tiempo, incluyendo horas italianas, horas canónicas y tiempo medido por los astrónomos en ese momento. Ambos estilos de reloj comenzaron a adquirir características extravagantes como los autómatas.
En 1283, se instaló un gran reloj en Dunstable Priory; su ubicación sobre la pantalla de la torre sugiere que no era un reloj de agua. En 1292, la Catedral de Canterbury instaló un 'gran horloge'. Durante los próximos 30 años, se mencionan los relojes en varias instituciones eclesiásticas en Inglaterra, Italia y Francia. En 1322, se instaló un nuevo reloj en Norwich, un costoso reemplazo para un reloj anterior instalado en 1273. Este tenía una gran esfera astronómica (2 metros) con autómatas y campanas. Los costos de la instalación incluyen el empleo a tiempo completo de dos relojeros durante dos años.
Astronómico
Además del reloj astronómico chino de Su Song en 1088 mencionado anteriormente, en Europa estaban los relojes construidos por Richard de Wallingfordin St Albans para 1336, y por Giovanni de Dondi en Padua de 1348 a 1364. Ya no existen, pero las descripciones detalladas de su diseño y construcción sobreviven, y se han realizado reproducciones modernas. Ilustran cuán rápido la teoría del reloj mecánico se había traducido en construcciones prácticas, y también que uno de los muchos impulsos para su desarrollo había sido el deseo de los astrónomos de investigar los fenómenos celestes.
El reloj de Wallingford tenía una gran esfera de tipo astrolabio, que mostraba el sol, la edad de la luna, la fase y el nodo, un mapa de estrellas y posiblemente los planetas. Además, tenía una rueda de la fortuna y un indicador del estado de la marea en el Puente de Londres. Las campanas sonaban cada hora, el número de golpes indicaba la hora. El reloj de Dondi era una construcción de siete lados, 1 metro de alto, con diales que mostraban la hora del día, incluidos los minutos, los movimientos de todos los planetas conocidos, un calendario automático de y fiestas movibles, y una predicción de eclipse girando la mano una vez cada 18 años. No se sabe qué tan precisos o fiables habrían sido estos relojes. Probablemente fueron ajustados manualmente todos los días para compensar los errores causados por el desgaste y la fabricación impreciso. Los relojes de agua a veces todavía se usan hoy en día, y puede examinarse en lugares como castillos antiguos y museos. El reloj de la catedral de Salisbury, construido en 1386, se considera el reloj mecánico más antiguo del mundo que sobrepasa las horas.
Accionado por resorte
Los relojeros desarrollaron su arte de varias maneras. Construir relojes más pequeños fue un desafío técnico, al igual que mejorar la precisión y la fiabilidad. Los relojes pueden ser piezas espectaculares para demostrar la destreza artesanal, o artículos menos costosos producidos en masa para uso doméstico. El escape en particular fue un factor importante que afectó la precisión del reloj, por lo que se probaron muchos mecanismos diferentes.
Los relojes de resorte aparecieron durante el siglo XV, aunque a menudo se atribuyen erróneamente al relojero de Nuremberg Peter Henlein (o Henle, o Hele) alrededor de 1511. El primer reloj impulsado por resorte es el reloj de cámara dado a Phillip el Bueno, Duque de Borgoña , alrededor de 1430, ahora en el Germanisches Nationalmuseum. El poder de la primavera presentó a los relojeros un nuevo problema: cómo mantener el movimiento del reloj funcionando a un ritmo constante a medida que la primavera avanzaba. Esto dio como resultado la invención del stackfreed y el fusee en el siglo XV, y muchas otras innovaciones, hasta la invención del barril moderno en 1760.
Los diales de reloj iniciales no indicaban minutos y segundos. Un reloj con una esfera que indica los minutos fue ilustrado en un manuscrito de 1475 por Paulus Almanus, y algunos relojes del siglo XV en Alemania indicaban minutos y minutos. Un primer registro de segundos en un reloj data de aproximadamente 1560 en un reloj ahora en la colección de Fremersdorf.
Durante los siglos XV y XVI floreció la relojería, particularmente en las ciudades de Nuremberg y Augsburgo, y en Blois, Francia. Algunos de los relojes de mesa más básicos tienen solo una manecilla de tiempo, con el cuadrante entre los marcadores de hora dividido en cuatro partes iguales, lo que hace que los relojes sean legibles a los 15 minutos más cercanos. Otros relojes eran exhibiciones de artesanía y habilidad, incorporando indicadores astronómicos y movimientos musicales. El escape de paso cruzado fue inventado en 1584 por Jost Bürgi, quien también desarrolló el remontoire. Los relojes de Bürgi fueron una gran mejora en la precisión, ya que fueron correctos en un minuto por día. Estos relojes ayudaron al astrónomo Tycho Brahe del siglo 16 a observar eventos astronómicos con mucha más precisión que antes.
Péndulo
El siguiente desarrollo en exactitud ocurrió después de 1656 con la invención del reloj de péndulo. Galileo tuvo la idea de usar una bobina oscilante para regular el movimiento de un dispositivo de tiempo a principios del siglo XVII. Christiaan Huygens, sin embargo, generalmente se acredita como el inventor. Él determinó la fórmula matemática que relacionaba la longitud del péndulo con el tiempo (aproximadamente 99.4 cm o 39.1 pulgadas para el movimiento de un segundo) y tenía el primer reloj impulsado por péndulo. El primer reloj modelo se construyó en 1657 en La Haya, pero fue en Inglaterra donde se tomó la idea. El reloj longcase (también conocido como el reloj de pie) fue creado para albergar el péndulo y obras del relojero inglés William Clement en 1670 o 1671. También fue en esta época que las cajas de reloj comenzaron a estar hechas de madera y relojes para utilizar esmaltes y cerámicas pintadas a mano.
En 1670, William Clement creó el escape del ancla, una mejora sobre el escape de la corona de Huygens. Clemente también introdujo el resorte de suspensión pendular en 1671. La mano concéntrica de los minutos se agregó al reloj por Daniel Quare, un relojero de Londres y otros, y la manecilla de los segundos se introdujo por primera vez.
Cabellera
En 1675, Huygens y Robert Hooke inventaron el resorte espiral en espiral, o el espiral, diseñado para controlar la velocidad de oscilación de la rueda de equilibrio. Este avance crucial finalmente hizo posible los relojes de bolsillo precisos. El gran relojero inglés, Thomas Tompion, fue uno de los primeros en usar este mecanismo con éxito en sus relojes de bolsillo, y adoptó la manecilla de los minutos que, después de probar una variedad de diseños, finalmente se estabilizó en la configuración moderna. El mecanismo de golpe de cremallera y caracol para relojes en huelga, se introdujo durante el siglo XVII y presentaba claras ventajas sobre el mecanismo de "rueda dentada" (o "placa de bloqueo"). Durante el siglo 20, hubo un error común que Edward Barlow inventó el estante y el caracolsorprendentes. De hecho, su invención se conectó con un mecanismo repetitivo que emplea el estante y el caracol. El reloj repetitivo, que recuerda el número de horas (o incluso minutos) fue inventado por Quare o Barlow en 1676. George Graham inventó el escape de los relojes en 1720.
Cronómetro marino
Un importante estímulo para mejorar la precisión y la fiabilidad de los relojes fue la importancia de mantener el tiempo preciso para la navegación. La posición de un barco en el mar podría determinarse con una precisión razonable si un navegante pudiera referirse a un reloj que perdió o ganó menos de 10 segundos por día. Este reloj no podría contener un péndulo, que sería prácticamente inútil en una nave mecedora. En 1714, el gobierno británico ofreció grandes recompensas financieras por un valor de 20,000 libras, para cualquiera que pudiera determinar la longitud con precisión. John Harrison, quien dedicó su vida a mejorar la precisión de sus relojes, más tarde recibió considerables sumas bajo la Ley de la Longitud.
En 1735, Harrison construyó su primer cronómetro, que mejoró constantemente durante los siguientes treinta años antes de presentarlo para su examen. El reloj tenía muchas innovaciones, incluido el uso de cojinetes para reducir la fricción, balanzas ponderadas para compensar el cabeceo y balanceo del barco en el mar y el uso de dos metales diferentes para reducir el problema de la expansión del calor. El cronómetro fue probado en 1761 por el hijo de Harrison y al cabo de 10 semanas el reloj estuvo en error por menos de 5 segundos.
Producción en masa
Los británicos habían predominado en la fabricación de relojes durante gran parte de los siglos XVII y XVIII, pero mantenían un sistema de producción orientado a productos de alta calidad para la élite. Aunque hubo un intento de modernizar la fabricación de relojes con técnicas de producción en masa y la aplicación de herramientas duplicadas y maquinaria por parte de British Watch Company en 1843, fue en los Estados Unidos que este sistema despegó. En 1816, Eli Terry y algunos otros relojeros de Connecticut desarrollaron una forma de producción masiva de relojes mediante el uso de piezas intercambiables. Aaron Lufkin Dennison fundó una fábrica en 1851 en Massachusetts que también usaba piezas intercambiables, y hacia 1861 estaba dirigiendo una exitosa empresa incorporada como Waltham Watch Company.
Temprano eléctrico
En 1815, Francis Ronalds publicó el primer reloj eléctrico alimentado por pilas secas. Alexander Bain, relojero escocés, patentó el reloj eléctrico en 1840. El resorte principal del reloj eléctrico se enrolla con un motor eléctrico o con un electroimán y una armadura. En 1841, primero patentó el péndulo electromagnético. A fines del siglo diecinueve, el advenimiento de la batería de celda seca hizo posible el uso de energía eléctrica en los relojes. Los relojes accionados por muelle o peso que usan electricidad, ya sea corriente alterna (CA) o corriente continua (CC), para rebobinar el muelle o aumentar el peso de un reloj mecánico se clasificarían como un reloj electromecánico. Esta clasificación también se aplicaría a los relojes que emplean un impulso eléctrico para propulsar el péndulo. En los relojes electromecánicos, la electricidad no sirve para mantener la función. Estos tipos de relojes se fabricaron como relojes individuales, pero se usan con mayor frecuencia en instalaciones sincronizadas de tiempo en escuelas, negocios, fábricas, ferrocarriles e instalaciones gubernamentales como relojes maestros y esclavos.
Los relojes eléctricos que funcionan con el suministro de CA a menudo usan motores síncronos. La corriente de suministro alterna con una frecuencia de 50 hertz en muchos países y 60 hertz en otros. El rotor del motor gira a una velocidad que está relacionada con la frecuencia de alternancia. Un engranaje apropiado convierte esta velocidad de rotación en la correcta para las manecillas del reloj analógico. El desarrollo de la electrónica en el siglo XX dio lugar a relojes sin piezas de relojería. El tiempo en estos casos se mide de varias maneras, como por la alternancia del suministro de CA, la vibración de un diapasón, el comportamiento de los cristales de cuarzo o las vibraciones cuánticas de los átomos. Los circuitos electrónicos dividen estas oscilaciones de alta frecuencia a otras más lentas que controlan la visualización del tiempo. Incluso los relojes mecánicos han llegado a ser alimentados en gran parte por baterías,
Cuarzo
Las propiedades piezoeléctricas del cuarzo cristalino fueron descubiertas por Jacques y Pierre Curie en 1880. El primer oscilador de cristal fue inventado en 1917 por Alexander M. Nicholson, después de lo cual, el primer oscilador de cristal de cuarzo fue construido por Walter G. Cady en 1921. En 1927 el el primer reloj de cuarzo fue construido por Warren Marrison y JW Horton en Bell Telephone Laboratories en Canadá. Las siguientes décadas vieron el desarrollo de los relojes de cuarzo como dispositivos de medición de tiempo de precisión en entornos de laboratorio: los aparatos electrónicos de conteo voluminosos y delicados, construidos con tubos de vacío, limitaron su uso práctico en otros lugares. La Oficina Nacional de Estándares (ahora NIST) basó el estándar de tiempo de los Estados Unidos en relojes de cuarzo desde finales de 1929 hasta la década de 1960, cuando cambió a relojes atómicos. En 1969, Seiko produjo el primer reloj de pulsera de cuarzo del mundo, el Astron. Su precisión inherente y bajo costo de producción dieron como resultado la proliferación posterior de relojes y relojes de cuarzo.
Atómico
A partir de la década de 2010, los relojes atómicos son los relojes más precisos que existen. Son considerablemente más precisos que los relojes de cuarzo, ya que pueden ser precisos en unos pocos segundos durante miles de años. Los relojes atómicos primero fueron teorizados por Lord Kelvin en 1879. En la década de 1930, el desarrollo de la resonancia magnética creó un método práctico para hacer esto. Un prototipo de dispositivo maser de amoníaco se construyó en 1949 en la Oficina Nacional de Estándares de EE. UU. (NBS, ahora NIST). Aunque era menos preciso que los relojes de cuarzo existentes, sirvió para demostrar el concepto. El primer reloj atómico preciso, un estándar de cesio basado en una determinada transición del átomo de cesio 133, fue construido por Louis Essen en 1955 en el National Physical Laboratory en el Reino Unido. La calibración del reloj atómico estándar de cesio se llevó a cabo mediante el uso de la escala de tiempo astronómica tiempo de efemérides (ET). A partir de 2013, los relojes atómicos más estables son los relojes de iterbio, que son estables a menos de dos partes en 1 quintillón ( 2 × 10 ).
Operación
La invención del reloj mecánico en el siglo XIII inició un cambio en los métodos de cronometraje de procesos continuos, como el movimiento de la sombra del gnomon en un reloj de sol o el flujo de líquido en un reloj de agua, a procesos oscilatorios periódicos, como el columpio de un péndulo o la vibración de un cristal de cuarzo, que tenía el potencial para una mayor precisión. Todos los relojes modernos usan oscilación.
Aunque los mecanismos que utilizan varían, todos los relojes oscilantes, mecánicos, digitales y atómicos, funcionan de manera similar y se pueden dividir en partes análogas. Consisten en un objeto que repite el mismo movimiento una y otra vez, un oscilador , con un intervalo de tiempo constante constante entre cada repetición, o 'latido'. Adjunto al oscilador hay un dispositivo controlador que mantiene el movimiento del oscilador al reemplazar la energía que pierde por la fricción y convierte sus oscilaciones en una serie de pulsos. Los pulsos son contados por algún tipo de contador , y el número de conteos se convierte en unidades convenientes, generalmente segundos, minutos, horas, etc. Finalmente, algún tipo de indicador muestra el resultado en forma humana legible.
Fuente de alimentación
- En los relojes mecánicos, la fuente de alimentación suele ser un peso suspendido de un cable o cadena envuelto alrededor de una polea, piñón o tambor; o un resorte en espiral llamado resorte principal. Los relojes mecánicos se deben bobinar periódicamente, generalmente girando una perilla o una llave o tirando del extremo libre de la cadena, para almacenar energía en el peso o la primavera para mantener el reloj en funcionamiento.
- En los relojes eléctricos, la fuente de alimentación es una batería o la línea de alimentación de CA. En los relojes que utilizan alimentación de CA, a menudo se incluye una pequeña batería de respaldo para mantener el reloj en funcionamiento si se desenchufa temporalmente de la pared o durante un corte de energía. Relojes de pared analógicos a batería están disponibles que operan durante 15 años entre cambios de batería.
Oscilador
El elemento de indicación del tiempo en cada reloj moderno es un oscilador armónico, un objeto físico (resonador) que vibra u oscila repetitivamente a una frecuencia precisamente constante.
- En los relojes mecánicos, esto es un péndulo o una rueda de equilibrio.
- En algunos relojes y relojes electrónicos antiguos como el Accutron, es un diapasón.
- En relojes de cuarzo y relojes, es un cristal de cuarzo.
- En los relojes atómicos, es la vibración de los electrones en los átomos cuando emiten microondas.
- En los primeros relojes mecánicos anteriores a 1657, era una rueda de balance cruda o foliot que no era un oscilador armónico porque carecía de un muelle de equilibrio. Como resultado, fueron muy inexactos, con errores de quizás una hora por día.
La ventaja de un oscilador armónico sobre otras formas de oscilador es que emplea resonancia para vibrar a una frecuencia de resonancia natural precisa o 'latido' que depende solo de sus características físicas, y resiste la vibración a otras velocidades. La posible precisión alcanzable por un oscilador armónico se mide por un parámetro llamado Q, o factor de calidad, que aumenta (siendo iguales otras cosas) con su frecuencia de resonancia. Esta es la razón por la cual ha habido una tendencia a largo plazo hacia los osciladores de mayor frecuencia en los relojes. Las ruedas de equilibrio y los péndulos siempre incluyen un medio para ajustar la velocidad del reloj. Los relojes de cuarzo a veces incluyen un tornillo de velocidad que ajusta un condensador para ese propósito. Los relojes atómicos son estándares primarios, y su velocidad no se puede ajustar.
Relojes sincronizados o esclavos
Algunos relojes dependen de su precisión en un oscilador externo; es decir, se sincronizan automáticamente con un reloj más preciso:
- Los relojes esclavos, utilizados en grandes instituciones y escuelas desde la década de 1860 hasta la década de 1970, mantenían el tiempo con un péndulo, pero estaban conectados a un reloj maestro en el edificio, y periódicamente recibían una señal para sincronizarlos con el maestro, a menudo cada hora. Las versiones posteriores sin péndulo fueron activadas por un pulso del reloj maestro y ciertas secuencias utilizadas para forzar la sincronización rápida después de un corte de energía.
- Los relojes eléctricos sincrónicos no tienen un oscilador interno, pero cuentan los ciclos de la oscilación de 50 o 60 Hz de la línea de alimentación de CA, que la utilidad sincroniza con un oscilador de precisión. El recuento puede realizarse electrónicamente, generalmente en relojes con pantallas digitales, o, en relojes analógicos, la CA puede conducir un motor síncrono que gira una fracción exacta de una revolución para cada ciclo de la tensión de línea, y acciona el tren de engranajes. Aunque los cambios en la frecuencia de la línea de red debido a las variaciones de carga pueden ocasionar que el reloj gane o pierda varios segundos durante el transcurso del día, la empresa de servicios públicos mantiene la cantidad total de ciclos por 24 horas, de modo que el reloj mantiene el tiempo con precisión durante largos períodos.
- Los relojes de computadora en tiempo real mantienen el tiempo con un cristal de cuarzo, pero se pueden sincronizar periódicamente (generalmente semanalmente) a través de Internet con relojes atómicos (UTC), usando el protocolo de tiempo de red (Network Time Protocol, NTP). A veces, las computadoras en una red de área local (LAN) obtienen su tiempo de un único servidor local que se mantiene con precisión.
- Los relojes de radio mantienen el tiempo con un cristal de cuarzo, pero se sincronizan periódicamente con las señales horarias transmitidas desde estaciones de radio de tiempo estándar dedicadas o señales de navegación por satélite, que se establecen mediante relojes atómicos.
Controlador
Esto tiene la doble función de mantener el oscilador en funcionamiento dándole 'empujones' para reemplazar la energía perdida por fricción y convirtiendo sus vibraciones en una serie de pulsos que sirven para medir el tiempo.
- En los relojes mecánicos, este es el escape, que proporciona impulsos precisos al péndulo oscilante o rueda de equilibrio, y libera un diente del engranaje de la rueda de escape en cada giro, permitiendo que todas las ruedas del reloj avancen una cantidad fija con cada oscilación.
- En los relojes electrónicos, este es un circuito oscilador electrónico que le da al diminuto "empuje" al cristal de cuarzo o al diapasón, y genera una serie de pulsos eléctricos, uno para cada vibración del cristal, que se denomina señal de reloj.
- En los relojes atómicos, el controlador es una cavidad de microondas evacuada unida a un oscilador de microondas controlado por un microprocesador. Se libera un gas delgado de átomos de cesio en la cavidad donde están expuestos a microondas. Un láser mide cuántos átomos han absorbido las microondas, y un sistema de control de retroalimentación electrónico llamado loop de sincronización de fase sintoniza el oscilador de microondas hasta que está a la frecuencia que hace que los átomos vibren y absorban las microondas. Luego, la señal de microondas se divide por contadores digitales para convertirse en la señal del reloj.
En los relojes mecánicos, la baja Q de la rueda de equilibrio o el oscilador del péndulo los hacía muy sensibles al efecto perturbador de los impulsos del escape, por lo que el escape tuvo un gran efecto en la precisión del reloj y se intentaron muchos diseños de escape. La mayor Q de los resonadores en los relojes electrónicos los hace relativamente insensibles a los efectos perturbadores de la potencia de accionamiento, por lo que el circuito oscilador de accionamiento es un componente mucho menos crítico.
Cadena de mostrador
Esto cuenta los pulsos y los suma para obtener unidades de tiempo tradicionales de segundos, minutos, horas, etc. Por lo general, tiene una provisión para ajustar el reloj al ingresar manualmente la hora correcta en el contador.
- En los relojes mecánicos esto se hace mecánicamente mediante un tren de engranajes, conocido como tren de ruedas. El tren de engranajes también tiene una segunda función; para transmitir potencia mecánica desde la fuente de energía para ejecutar el oscilador. Hay un acoplamiento de fricción llamado "piñón de cañón" entre los engranajes que manejan las manecillas y el resto del reloj, lo que permite girar las manos para establecer la hora.
- En los relojes digitales, una serie de contadores o divisores de circuitos integrados agregan los pulsos digitalmente, usando lógica binaria. A menudo, los botones pulsadores en la caja permiten que los contadores de horas y minutos se incrementen y disminuyan para establecer el tiempo.
Indicador
Esto muestra el recuento de segundos, minutos, horas, etc. en una forma legible por humanos.
- Los primeros relojes mecánicos del siglo XIII no tenían un indicador visual y señalaban la hora de forma audible tocando campanas. Muchos relojes hasta hoy son relojes llamativos que golpean la hora.
- Los relojes analógicos muestran el tiempo con una cara de reloj analógica, que consiste en una esfera redonda con los números del 1 al 12, las horas del día, alrededor del exterior. Las horas se indican con una manecilla de hora, que hace dos revoluciones por día, mientras que los minutos se indican con un minutero, que hace una revolución por hora. En los relojes mecánicos, un tren de engranajes conduce las manos; En los relojes electrónicos, el circuito produce impulsos cada segundo que conducen un motor paso a paso y un tren de engranajes, que mueven las manos.
- Los relojes digitales muestran el tiempo de cambio periódico de dígitos en una pantalla digital. Un error común es que un reloj digital es más preciso que un reloj de pared analógico, pero el tipo de indicador es independiente y aparte de la precisión de la fuente de sincronización.
- Los relojes parlantes y los servicios de reloj de voz proporcionados por las compañías telefónicas hablan la hora de forma audible, utilizando voces grabadas o sintetizadas digitalmente.
Tipos
Los relojes se pueden clasificar por el tipo de visualización de la hora, así como por el método de la indicación del tiempo.
Métodos de visualización de tiempo
Cosa análoga
Los relojes analógicos usualmente usan una esfera de reloj que indica el tiempo usando punteros giratorios llamados "manos" en un dial de números fijos o diales. La esfera del reloj estándar, conocida universalmente en todo el mundo, tiene una "manecilla de hora" corta que indica la hora en una esfera circular de 12 horas, haciendo dos revoluciones por día, y una "manecilla de minutos" más larga que indica los minutos en la corriente hora en el mismo cuadrante, que también está dividido en 60 minutos. También puede tener una "segunda mano" que indica los segundos en el minuto actual. La única otra esfera de reloj ampliamente utilizada en la actualidad es el dial analógico de 24 horas, debido al uso de tiempo de 24 horas en organizaciones y horarios militares. Antes de que la cara del reloj moderno se estandarizara durante la Revolución Industrial, se usaron muchos otros diseños faciales a lo largo de los años, incluyendo diales divididos en 6, 8, 10 y 24 horas. Durante la Revolución Francesa, el gobierno francés intentó introducir un reloj de 10 horas, como parte de su sistema métrico de medición basado en decimales, pero no lo logró. Un reloj italiano de 6 horas fue desarrollado en el siglo XVIII, presumiblemente para ahorrar energía (un reloj o reloj que golpea 24 veces usa más potencia).
Otro tipo de reloj analógico es el reloj de sol, que sigue al sol continuamente, registrando el tiempo por la posición sombreada de su gnomon. Debido a que el sol no se ajusta al horario de verano, los usuarios deben agregar una hora durante ese tiempo. Las correcciones también se deben hacer para la ecuación de tiempo y para la diferencia entre las longitudes del reloj de sol y del meridiano central de la zona horaria que se está utilizando (es decir, 15 grados al este del meridiano principal por cada hora que el huso horario está por delante de GMT). Los relojes de sol usan parte o una parte del dial analógico de 24 horas. También existen relojes que usan una pantalla digital a pesar de tener un mecanismo analógico, estos se conocen comúnmente como flip-clocks. Se han propuesto sistemas alternativos. Por ejemplo, el reloj "Twelv" indica la hora actual utilizando uno de los doce colores,
Digital
- Ejemplos de relojes digitales
Reloj digital fuera de la estación de Kanazawa que muestra el tiempo controlando las válvulas en una fuente
Radio reloj digital básico
Pantalla de Android con un reloj de estilo analógico (aunque generado por una computadora digital) en el medio, y un estilo digital en la esquina superior derecha
Diagrama de una pantalla digital mecánica de un reloj flip
Los relojes digitales muestran una representación numérica del tiempo. Dos formatos de visualización numéricos se utilizan comúnmente en relojes digitales:
- la notación de 24 horas con horas que oscilan entre 00-23;
- la notación de 12 horas con indicador AM / PM, con horas indicadas como 12AM, seguido de 1 AM-11AM, seguido de 12PM, seguido de 1 PM-11PM (una notación que se usa principalmente en entornos domésticos).
La mayoría de los relojes digitales usan mecanismos electrónicos y pantallas LCD, LED o VFD; también se usan muchas otras tecnologías de visualización (tubos de rayos catódicos, tubos nixie, etc.). Después de un reinicio, cambio de batería o falla de energía, estos relojes sin batería de respaldo ni condensador comienzan a contar a partir de las 12:00 o permanecen a las 12:00, a menudo con dígitos parpadeantes que indican que es necesario ajustar el tiempo. Algunos relojes más nuevos se reiniciarán a partir de servidores de tiempo de radio o Internet que estén sintonizados con los relojes atómicos nacionales. Desde el advenimiento de los relojes digitales en la década de 1960, el uso de relojes analógicos ha disminuido significativamente.
Algunos relojes, llamados 'flip clocks', tienen pantallas digitales que funcionan mecánicamente. Los dígitos están pintados en hojas de material que están montadas como las páginas de un libro. Una vez por minuto, se da vuelta una página para revelar el siguiente dígito. Estas pantallas suelen ser más fáciles de leer en condiciones de mucha luz que las pantallas LCD o los LED. Además, no vuelven a las 12:00 después de una interrupción de energía. Los relojes con volcadura generalmente no tienen mecanismos electrónicos. Por lo general, son impulsados por motores sincrónicos de CA.
Híbrido (analógico-digital)
Relojes con cuadrantes analógicos, con un componente digital, generalmente minutos y horas mostrados análogamente y segundos visualizados en modo digital.
Auditivo
Por conveniencia, distancia, telefonía o ceguera, los relojes auditivos presentan el tiempo como sonidos. El sonido es el lenguaje natural hablado (por ejemplo, "La hora es doce treinta y cinco"), o como códigos auditivos (por ejemplo, el número de timbres secuenciales en la hora representa el número de la hora, como la campana, Big Ben). La mayoría de las compañías de telecomunicaciones también ofrecen un servicio de reloj de voz.
Palabra
Los relojes de palabras son relojes que muestran el tiempo visualmente usando oraciones. Ejemplo: "Son casi las tres en punto". Estos relojes pueden implementarse en hardware o software.
Proyección
Algunos relojes, generalmente digitales, incluyen un proyector óptico que ilumina una imagen ampliada de la visualización del tiempo en una pantalla o en una superficie como un techo o una pared interior. Los dígitos son lo suficientemente grandes como para que puedan leerlos fácilmente, sin usar gafas, las personas con visión moderadamente imperfecta, por lo que los relojes son convenientes para usar en sus habitaciones. Usualmente, el circuito de cronometraje tiene una batería como fuente de respaldo para una fuente de alimentación ininterrumpida para mantener el reloj a tiempo, mientras que la luz de proyección solo funciona cuando la unidad está conectada a una fuente de CA. También se encuentran disponibles versiones portátiles completamente accionadas por batería que se asemejan a linternas.
Táctil
Los relojes auditivos y de proyección pueden ser utilizados por personas ciegas o con visión limitada. También hay relojes para ciegos que tienen pantallas que se pueden leer usando el sentido del tacto. Algunos de estos son similares a las pantallas analógicas normales, pero están construidos para que las manos se puedan sentir sin dañarlas. Otro tipo es esencialmente digital, y usa dispositivos que usan un código como Braille para mostrar los dígitos para que puedan palparse con las yemas de los dedos.
Pantalla múltiple
Algunos relojes tienen varias pantallas impulsadas por un único mecanismo, y algunos otros tienen varios mecanismos completamente separados en un solo caso. Los relojes en lugares públicos a menudo tienen varias caras visibles desde diferentes direcciones, de modo que el reloj se puede leer desde cualquier lugar cercano; todas las caras muestran el mismo tiempo. Otros relojes muestran la hora actual en varias zonas horarias. Los relojes que están destinados a ser transportados por los viajeros a menudo tienen dos pantallas, una para la hora local y otra para el tiempo en el hogar, que es útil para hacer llamadas telefónicas concertadas con anterioridad. Algunos relojes de ecuaciones tienen dos pantallas, una que muestra el tiempo medio y la otra hora solar, como se mostraría en un reloj de sol. Algunos relojes tienen pantallas analógicas y digitales. Los relojes con pantallas Braille generalmente también tienen dígitos convencionales para que puedan ser leídos por personas videntes.
Propósitos
Los relojes están en casas, oficinas y muchos otros lugares; los más pequeños (relojes) se llevan en la muñeca o en un bolsillo; las más grandes están en lugares públicos, por ejemplo, una estación de ferrocarril o una iglesia. A menudo se muestra un pequeño reloj en una esquina de las pantallas de la computadora, teléfonos móviles y muchos reproductores de MP3.
El objetivo principal de un reloj es mostrar la hora. Los relojes también pueden tener la capacidad de emitir una señal de alerta fuerte a una hora específica, generalmente para despertar a un durmiente a una hora preestablecida; se los conoce como relojes de alarma . La alarma puede comenzar a un volumen bajo y volverse más ruidosa, o tener la posibilidad de desconectarse durante unos minutos y reanudarla. Los despertadores con indicadores visibles a veces se usan para indicar a los niños demasiado pequeños que deben leer la hora en que el tiempo para dormir ha terminado; a veces se llaman relojes de entrenamiento .
Se puede usar un mecanismo de reloj para controlar un dispositivo de acuerdo con el tiempo, por ejemplo, un sistema de calefacción central, una videograbadora o una bomba de tiempo (ver: contador digital). Tales mecanismos generalmente se llaman temporizadores. Los mecanismos del reloj también se utilizan para controlar dispositivos como los seguidores solares y los telescopios astronómicos, que deben girar a velocidades controladas con precisión para contrarrestar la rotación de la Tierra.
La mayoría de las computadoras digitales dependen de una señal interna a frecuencia constante para sincronizar el procesamiento; esto se conoce como una señal de reloj. (Algunos proyectos de investigación están desarrollando CPU basadas en circuitos asíncronos). Algunos equipos, incluidas las computadoras, también mantienen la hora y la fecha para su uso según sea necesario; esto se conoce como reloj de la hora del día, y es distinto de la señal del reloj del sistema, aunque posiblemente se base en el recuento de sus ciclos.
En la cultura china, dar un reloj (送 鍾 / 送 s, sòng zhōng) es a menudo tabú, especialmente para los ancianos, ya que el término para este acto es un homófono con el término para el acto de asistir al funeral de otro (送終 / 送终, sòngzhōng ) Una funcionaria del gobierno del Reino Unido, Susan Kramer, vigiló a Taipeimayor Ko Wen-je sin darse cuenta de tal tabú, lo que provocó cierta vergüenza profesional y una disculpa por parte de la organización.
No es deseable darle a alguien un reloj o (según la región) otro reloj como regalo. Las supersticiones tradicionales consideran esto como contar los segundos a la muerte del destinatario. Otra interpretación común de esto es que la frase "dar un reloj" (chino simplificado: 送 钟 , chino tradicional: 送 鐘 ) en chino se pronuncia "sòng zhōng" en mandarín, que es un homófono de una frase para "terminar" o "asistir a un funeral" (ambos pueden escribirse como 送終 (tradicional) o 送终 (simplificado)). Los cantoneses consideran un regalo como una maldición.
Este par homónimo funciona tanto en mandarín como en cantonés, aunque en la mayor parte de China solo los relojes y las grandes campanas, y no los relojes, se llaman " zhong ", y los relojes se suelen regalar en China.
Sin embargo, si se entregara tal regalo, la "mala suerte" del regalo puede contrarrestarse exigiendo un pequeño pago monetario para que el destinatario compre el reloj y así contrarreste la expresión '送' ("dar") de la frase.
Estándares de tiempo
Para algunos trabajos científicos, el tiempo de máxima precisión es esencial. También es necesario tener un estándar de la máxima precisión con el que se puedan calibrar los relojes de trabajo. Un reloj ideal daría tiempo a la precisión ilimitada, pero esto no es realizable. Muchos procesos físicos, en particular incluyendo algunas transiciones entre niveles de energía atómica, ocurren a una frecuencia extremadamente estable; los ciclos de conteo de dicho proceso pueden proporcionar relojes de tiempo muy precisos y consistentes, que funcionan de esta manera, generalmente se llaman relojes atómicos. Dichos relojes suelen ser grandes, muy costosos, requieren un entorno controlado y son mucho más precisos que los necesarios para la mayoría de los propósitos; generalmente se usan en un laboratorio de estándares.
Hasta los avances a fines del siglo XX, la navegación dependía de la capacidad de medir la latitud y la longitud. La latitud se puede determinar a través de la navegación celestial; la medición de la longitud requiere un conocimiento preciso del tiempo. Esta necesidad fue una gran motivación para el desarrollo de relojes mecánicos precisos. John Harrison creó el primer cronómetro marino de alta precisión a mediados del siglo XVIII. La pistola Noon en Cape Townstill dispara una señal precisa para permitir a los barcos verificar sus cronómetros. Muchos edificios cerca de los puertos principales solían tener (algunos todavía lo hacen) una gran bola montada en una torre o mástil dispuestos a caer en un tiempo predeterminado, con el mismo propósito. Mientras que los sistemas de navegación por satélite, como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) requieren un conocimiento de tiempo sin precedentes, esto es suministrado por equipos en los satélites;
Tipos específicos
| Por mecanismo | Por función | Por estilo |
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