El siguiente artículo va dedicado a los entusiastas y fanáticos de relojes y
Ay, ay, ay… en qué lío me metí.
Ni mas ni menos que en el agujero negro del que nadie sale inmune: tratar de explicar ( o explicarme… estaría mejor dicho ) qué es una oscilación, una vibración, las alternancias y los ciclos en los relojes.
Años atrás, cuando no sabía nada sobre esos conceptos ( no se crean que hoy día se mucho más ) los leía y los imaginaba.
Sobre las alternancias, supuse que eran como flashes, o como relámpagos. Algo dentro del reloj giraba, sin demasiada explicación plausible, y ya.
Las oscilaciones, supuse, se referían al péndulo. Tiempo más tarde descubrí que había vida para las oscilaciones más allá del péndulo.
Y sobre las vibraciones de los cristales de cuarzo, pues, ya se me escapaban de lo que podía llegar a entender. Lo imaginé como un mini terremoto dentro de un Casio, o parecido.
Pónganse los cinturones, que allá vamos…
¿ Qué significa que un Bulova Accutron vintage, dependiendo el calibre, tenga 360 o 440 ciclos ( Hertz ) ?
¿ O que el famoso y mítico calibre de cuarzo GP350 haya tenido (y los que sobreviven, tengan) 32.768 Hertz ?
¿ O que un reloj eléctrico funcione a 60 ciclos ?
¿Qué son las alternancias, y cuál es su relación con la precisión de un reloj?
¿Qué es la frecuencia…?
Como tengo que empezar por algún lado, empiezo por los cuarzos.
Como todos ya sabemos, los relojes de cuarzo de pulsera llegaron en la década del ‘70 con consecuencias devastadoras para la industria de los relojes mecánicos de pulsera. La mayoría de estos relojes de cuarzo dependen de la vibración del cristal de cuarzo que oscila y se activa por una fuente de energía (la pil ) y que son capaces de dividir intervalos de tiempo en Kilohertz ( es decir, vibran a miles de ciclos por segundo . Lo que tenían, y aún tienen estos relojes de cuarzo, es una magnífica precisión. Vibran más, y son más precisos.
Algo que durante mucho tiempo me pregunté sobre la tecnología de aquellos primeros relojes de cuarzo fue sobre qué determinaba ese grado de oscilación y/o vibración, es decir, cuál era la razón que hacía que vibraran más o lo hiciesen menos. Lo que entendí es que el grado de oscilación está relacionado con cuán grueso o fino es el cristal de cuarzo estimulado para que vibre.
Curiosamente, y mucho antes que irrumpieran los relojes pulsera de cuarzo y sus extremadamente precisos relojes, existían ya mega relojes gruesos atómicos muy superiores en precisión y desempeño. El primer reloj atómico data de 1949.
Los átomos, la mar de inquietos, vibran muchísimo más que los cuarzos.
El átomo de hidrógeno, por poner un ejemplo, resuena a una frecuencia altísima: 1420405752 ciclos por segundo o Hertz. El de Rubidium a 6834682608 Hertz; y el de Cesio - la mayoría de los relojes atómicos son de Cesio - a 9192631770 Hertz.
¿Qué es el Hertz?
Es una convención internacional para medir frecuencias y con ella medimos la cantidad de veces que se repite una ocurrencia determinada, por segundo.
¿Ciclo y Hertz son los mismo?
En relojería, y específicamente, en lo que estamos tratando en este artículo, sí.
Entonces ya tenemos algunas ideas que podemos relacionar: todo aquello que se mueve a una velocidad constante o una frecuencia determinada ( el sol, por ejemplo ); o se bambolea ( péndulo, por ejemplo ) vibra u oscila ( relojes de cuarzo, mecánicos, con acumuladores para luz ) pueden utilizarse para medir intervalos de tiempo.
Pues para medir un intervalo de tiempo A, necesito tener una unidad de tiempo B. No se puede medir nada sin tener una unidad de medida. Y además, es importante elegir qué unidad de tiempo será utilizada para apuntar y medir esas frecuencias u oscilaciones. Y como ya saben, y ya he tratado en otros artículos, la unidad básica de tiempo elegida por convención en nuestro tiempo contemporáneo es el segundo.
En Horología y Ciencias del Tiempo la palabra Frecuencia ( que algunas veces se utiliza erróneamente ) tiene dos usos:
medir frecuencia de fenómenos temporales constantes en un intervalo de tiempo.
La cantidad de ciclos o vibraciones por segundo que un tenedor de cuarzo ( un Accutron ) o un cristal de cuarzo, o un átomo estimulado resuena por segundo.
El tiempo, entonces, depende de una escala o unidad de medida. Y los relojes, por lo tanto, cumplen con ese requisito: tienen la capacidad de mostrar qué se mide, y en qué escala, y a partir de qué. Esa capacidad es la de permitirnos ver cuándo termina un ciclo, y empieza otro. Todo esto que digo parece una tontería, pero nos ha llevado miles de años, y mucha gente sesuda, para llegar a lo que hoy tenemos.
Otro requisito que debe cumplir todo reloj ( me refiero, ahora, a los relojes mecánicos, de cuarzo y/o acumuladores ) es que debe tener un mecanismo o circuito y/o híbrido tecnológico que produzca un fenómeno periódico. Ese ‘fenómeno periódico’ debe estar alimentado por una fuente de energía ( acumulador, resonador, pila, cuerda, u otros ); y esa fuente de energía debe tener un lugar específico para acumularse, ponderarse, distribuirse y administrarse. En los relojes con manecillas que funcionan con más o menos dignidad ustedes pueden notar y ver claramente que la fuente de energía está en marcha cumpliendo períodos determinados, en una escala, y con una frecuencia determinada.
Más arriba escribí la palabra ‘resonador’.
Deseo detenerme unos párrafos en ella porque creo es importante.
En Física se usa mucho una expresión matemática que se expresa con la letra Q.
Q, en este caso que nos ocupa, se refiere a un factor de calidad y mide cuántas veces resuena, alterna u oscila por sí mismo un ente, objeto, mecanismo y/o átomo dado un empuje o estímulo inicial.
Para explicarlo mas claro: Q viene a ser la cantidad de movimiento expresado en vibraciones, alternancias o frecuencias que un resonador, acumulador, y/o similar emite y/o mantiene hasta que esa energía disminuye en un porcentaje evidente y que es sensiblemente menor a la energía inicial.
Si hay fricción considerable, ejemplo de un péndulo, el movimiento del mismo se extinguirá muy rápido. Por regla general ( por supuesto, hay excepciones ) los relojes gruesos mecánicos tienen un factor Q muy bajo ( Q 500 ); los relojes de pulsera mecánicos ‘normalitos’ de 17 rubíes, Q 1000; los Bulova Accutron vintage, en algunos modelos y dependiendo el calibre, Q 2000; los atómicos de Cesio, Q 10 a la +- octava potencia.
Todo ésto que digo, repito, es cuando un resonador ( pongamos el caso de un volante completo de reloj mecánico ) es estimulado con un empuje inicial y luego se lo deja andar hasta que se detiene. Al momento del empuje inicial empezará a oscilar, pero llegado un momento esas oscilaciones se empezarán a ralentizar, se harán más espaciadas. Eso es lo que mide el factor Q.
Un resonador de alta frecuencia, pongamos el caso de un Bulova Accutron de los antiguos, no necesita ser intervenido con dosis de energía de manera constante. Lo habrán notado cuando le sacan la pila y el reloj sigue andando unos segundos más. Su factor Q es alto, y por lo tanto, ha podido seguir funcionando unos pocos segundos más aún cuando la pila se retiró.
Otra cosa importante: para que un resonador tenga óptimo desempeño debe funcionar a su frecuencia ‘natural’. Esto parece obvio; pero recién el siglo XVIII se pudo empezar a buscar ‘en serio’ cierta precisión y performance en los relojes. Todo ello gracias a investigaciones en aleaciones, combinación de materiales, experimentación con diferentes tipos de escapes, metales, condiciones ideales de funcionamiento y durabilidad.
Pongamos de vuelta el ejemplo de un péndulo, o de un volante de reloj mecánico; ambos relojes sin cuerda, y por lo tanto, sin energía. Supongamos que le damos un envión al péndulo, y le damos también un envión al volante. Se detendrán en poco tiempo. ¿ La razón…? No hay una, sino varias. Pero la que nos interesa a efectos del ejemplo: perdieron energía por fricción con el aire, la fricción de materiales, la pobre energía transferida y la incapacidad de acumular energía sobrante.
Estos ejemplos nos ayudan a ver claramente que el factor Q de ambos relojes es bajo en comparación con un reloj de átomos de cesio. Y acá tenemos otro concepto derivado de nuestras experimentaciones: cuanta menor sea la pérdida de energía, más alta es la curva de resonancia ( el reloj más preciso del mundo, el Máser de Hidrógeno, con un Q 10 a la +- novena potencia).
Ya que nombré los fenómenos de acumulación de energía y de transferencia, les dedico unas pocas oraciones.
Supongamos que tenemos un péndulo exquisito, super bien construido, con materiales super geniales y al que se le ha estudiado cómo hacer para que la fricción sea la mínima. Supongamos que le damos envión a ese péndulo, y echa a andar.
Supongamos que cada tanto le damos un nuevo envión, aún cuando el péndulo siga funcionando por sí solo. Pues aquí entrará en juego un fenómeno, que es el de ‘acumular energía’. ¿ Por qué ocurre ésto ?
Porque el péndulo ya tiene la energía que necesita para funcionar, y entonces ese excedente lo guarda.
Un ejemplo cotidiano: cuando vemos a una persona saltando en una cama elástica. La persona, a cada salto, logra acoplar y sincronizar el ritmo de salto con el de la superficie de la cama. Eso hace que la cama elástica guarde energía, y ese excedente lo guarda cuando la persona deja de empujar. La persona, ya sin envión, logrará que la cama elástica lo eyecte hacia arriba unas cuantas veces más. Otro ejemplo es la hamaca.
Imaginen: un reloj con cero rubíes, con miles de fricciones y batallas, ¿ Qué energía puede acumular… ? Ninguna. Estos pobres bichos están casi exentos de los Q - es una broma -.
Esa energía que se acumula por estimulación puede ser de dos tipos:
La transferida por el movimiento kinético en condiciones óptimas.
La energía guardada y usada teniendo en cuenta la fuerza de gravedad de nuestro planeta - energía potencial -. En una hipótesis de cero fricción ( que no existe, y va solo como ejemplo ) una vez le damos envión a un péndulo este funcionará al infinito. Y eso lo logrará porque en su movimiento pendular intercambiará energía potencial y cinética.
Desde ya, existen muchos otros tipos de energía, pero por una cuestión de espacio, solo las nombraré sin desarrollar: por calor, vapor, química, eléctrica, eólica, magnética, mecánica, etc.
Otra variable muy importante para los relojes y que deben ser ponderada junto con la precisión: la estabilidad. Ojo, porque estabilidad y precisión son dos cosas distintas. Un reloj puede tener una determinada precisión, pero ser inestable ( reloj de sol de la plaza de mi pueblo ); y hay relojes estables, pero imprecisos ( un Rulha, o un Aseikon, pongamos el caso: andan, y andan, y andan… pero no miremos qué hora marcan ).
Los famosos relojes atómicos de los que tanto se habla pero que casi nadie ha visto ( me incluyo ) tienen una excelente precisión y estabilidad. Y son así porque están construidos para que funcionen en condiciones ideales, se estimula el átomo en su frecuencia natural y se cuida a casi el infinito que ningún factor interno o externo los altere.
Vuelvo al principio y los cuarzos.
Porque la culpa de todo, señores, la tiene un tal Warren Morrison, que un día en 1929 se levantó, se miró al espejo y exclamó: “Hoy voy a inventar un reloj de cuarzo “. Bromas aparte, ese reloj era mecánico, pero su acumulador de energía era un cristal de cuarzo que vibraba cuando se le aplicaba electricidad.
La frecuencia de resonancia de un cristal de cuarzo depende de muchos factores: su corte, cuán grande es, qué voltaje se aplica para estimularlo ( y la calidad de ese voltaje… ); la fricción con superficies o materiales, temperatura, etc.
Los átomos, en cambio, son en sí mismos ‘resonadores’ naturales.
Por lo general, y simplificando muchísimo, los relojes atómicos tienen 3 componentes básicos: el resonador (es decir, el átomo); un oscilador, y un circuito de retroalimentación.
Su funcionamiento, también simplificando hasta la vergüenza misma, es el siguiente: el oscilador produce una señal que es transmitida al resonador de alta frecuencia (el átomo); y eso hace que vibre. Esta vibración se mueve a través de un complicadísimo circuito de nano y micro componentes más otros componentes electrónicos hasta generar una señal proporcional a la magnitud de la vibración que es a su vez es devuelta al oscilador para hacer microajustes de frecuencia. Este proceso de retroalimentación y ajustes puede llevar mucho tiempo, y por lo general tiene lugar hasta que el átomo vibra a su máxima amplitud y frecuencia natural de resonancia.
Las famosas y misteriosas ‘Alternancias’
Desde que tengo memoria escucho hablar de las famosas ‘Alternancias’.
Pero hace bien poco entendí qué son.
Son, ni más ni menos, que la semi oscilación hacia un lado y otro del espiral con su volante. Como ya saben, los espirales no tienen una oscilación completa sino una semi oscilación con un máximo de 260 grados a cada lado.
Ejemplo: supongamos que tenemos un Duward calibre Cupillard. El reloj está sin cuerda, tenemos un espiral en reposo, a ese punto de reposo lo llamaremos lugar de inicio. Al Duward lo estimulamos dándole cuerda. El volante con su espiral oscilará hacia un lado en forma semicircular, volverá al punto de reposo o lugar de inicio; y luego oscilará hacia el otro lado, volviendo nuevamente al punto inicial. Cada oscilación es una alternancia. Y las dos alternancias son un ciclo.
Entonces, un reloj de 18000 alternancias tiene 9 mil ciclos de su volante y espiral por hora.
En los relojes mecánicos (creo que no lo dije: las alternancias, por razones obvias, solo aplican a los relojes mecánicos) es fácil encontrar, en sus especificaciones, que tiene 18 mil alternancias (2.5 Hertz), 21.600 (3 Hertz), 28800 ( 4 Hertz ) o los atrevidos a 36 mil por hora ( 5 Hertz ). Las alternancias se miden por hora; los Hertz, por segundo.
Ahora bien, si un Hertz es la medición de una ocurrencia determinada en un segundo… ¿ Por qué los relojes de 18 mil alternancias no son de 5 Hertz… ? La respuesta es sencilla. La oscilación del espiral y volante hacia un lado, en realidad, es una semi ocurrencia y no un ciclo completo ya que el volante con el espiral y el eje solo se mueven hacia un lado y otro sin completar un ciclo de 360 grados. Como dos alternancias son un ciclo ( el volante tiene un punto inicial, gira a un lado, gira para el otro, y vuelta al punto inicial ) , y el reloj de nuestro ejemplo es de 18000 alternancias, y por lo tanto 9 mil ciclos, llegamos a la conclusión que son 2,5 Hertz.
Matemática pura: 2.5 Hertz por 3600 segundos: 9 mil ciclos; y 9 mil ciclos por 2 ( dos alternancias por ciclo ): 18000 alternancias total.
Así, en vez de 5 Hertz, los relojes de 18 mil alternancias son de 2.5 Hertz. Lo mismo aplica para los demás tipos de relojes del ejemplo del párrafo anterior.
Conclusión
No tengo conclusión, tengo confusión. O Confucio-n ¡¡¡ ja,ja,ja!!!
Todos estos líos de las alternancias, y la precisión, y los ciclos siempre me han hecho mucho ruido.
Pues conozco relojes super precisos de 60 ciclos y a 110 V ( el que tengo en mi escritorio, y al que no he tenido que ajustar mas que para el cambio de hora dos veces al año ); y relojes muy caros, de 28800 alternancias que andan cómo quieren y como les viene en gana. Hay relojes mecánicos muy sencillos de 18000 alternancias que andan como los dioses; y hay relojes pomposos y costosos con 28800 A/H que mejor…
Mi cuarzo más preciso es un muy sencillo Skagen con un Miyotita sin rubíes ( su factor de calidad o Q no será muy alto ) ; y del otro lado tengo mi Tag Super Sport con calibre ETA 956.112 con rubíes y todo ( un Q más alto que el Skagen )… y me ha hecho renegar el condenado.
Y si a todo le sumamos los intangibles…
Por otro lado: ¿ No es extraño que no conozcamos más sobre los super relojes atómicos y los relojes patrones… ? Los relojes atómicos regulan planetariamente las horas de cada país, sincronizan micro atrasos o adelantos, son aquellos que rigen la hora exacta.
Y los relojes patrones también están ocultos a la vista del público, y me parece, no debería ser así: cada aeropuerto, cada estación de tren, cada terminal de ómnibus con mucho tráfico, cada atracadero naval de importancia, cada edificio gubernamental de importancia y cada estadio famoso tienen relojes patrones, sean eléctricos, electrónicos o mecánicos ( aunque éstos ya casi no estén en funciones). Y estos relojes patrones regulan, a su vez, a varios relojes ‘esclavos’.
Muchas veces leo que algunas casas relojeras ponderan muchísimo, no quizás en legos pero sí en aficionados y entusiastas, la importancia de las ‘alternancias’, haciendo un cálculo sencillo y con una inferencia difícil de revocar: a más alternancias, más precisión; y a más precisión, mejores materiales; mejores materiales, menor fricción. Y todo eso cuesta un pastizal, y pretenden que paguemos un pastizal por ello, ¿ el motivo? Lo desconozco. Ahora me pregunto: ¿ vale la pena gastar dinero en un reloj mecánico que cuesta igual o más que un automóvil familiar… ?
Bibliografía
Como ya comenté más arriba, las notas las he ido tomando estos últimos años de aquí y allá. Igualmente dejo libros que en su momento leí y me guiaron en la confección de este artículo.
The Theory of Horology. Reymondin, Monnier, Jeanneret, Pelaratti. Libro escrito hace años por varios autores ligados a distintas entidades relojeras educativas suizas.
From Sundials to Atomic Clocks. Ya comenté con anterioridad sobre este libro.
The World of Watches. Lucien Trueb.
