¿Cómo los relojes de abuelo agregan energía al péndulo sin afectar el período?

La idea básica que subyace en todos los relojes mecánicos es que, para pequeñas amplitudes, podemos tratar los péndulos como isócronos. Es decir, el período no depende de la amplitud cuando la amplitud es pequeña, sino solo de la longitud del péndulo. La mayoría de los relojes de abuelo tendrán una amplitud de péndulo de solo tres o cuatro grados, por lo que esta aproximación es muy buena. Si tiene un péndulo con una amplitud más grande, la duración del período se alarga más de lo que predeciría con la ecuación simple (aproximadamente 1% más para una amplitud de 23 grados, por ejemplo), pero ningún reloj bien diseñado haría eso .

Entonces, hay dos problemas: “¿Cómo transferimos energía al péndulo?” Y “¿Cómo evitamos que cambie la longitud del péndulo?”. La respuesta a la primera pregunta, en resumen, es a través de un mecanismo llamado escape.

Esencialmente, un escape es un mecanismo diseñado para dar al péndulo un pequeño empujón cada vez que alcanza la parte superior de un arco, mientras se bloquea en su lugar en cualquier otro momento para evitar que el peso de la unidad se enrolle libremente en el suelo (o el resorte desde se desenrolla rápidamente) y desperdicia toda su energía. Hay muchos tipos diferentes de escape: la palanca suiza es probablemente el reloj mecánico más famoso y moderno, y los relojes de resorte lo usan. La mayoría de los relojes de péndulo usan lo que se llama un escape de ancla, que se ve así:

(Imagen cortesía de Wikipedia, espero que el gif se anime).

Si ese gif anima, deberías poder ver cómo funciona. La barra gris es el péndulo, con el “ancla” fijada en la parte superior. Cuando el péndulo alcanza la parte superior de un arco, la rueda de escape hace clic hacia adelante (porque está unida directamente al peso) y empuja el péndulo ligeramente. Por cierto, es esta acción la que provoca el tic-tac que asociamos con los relojes. Cuando el péndulo se encuentra en cualquier punto que no sea la parte superior de un arco, el ancla se bloquea contra los dientes especialmente formados de la rueda de escape para evitar que gire.

Antes de responder la segunda pregunta, vale la pena saber por qué la hacemos. Si estás acostumbrado a tratar los péndulos como objetos ideales en la clase de física, es posible que no se te ocurra de inmediato, pero la longitud de una varilla de metal en realidad cambiará dependiendo de la temperatura. No podemos simplemente descuidar esto como el error debido a la amplitud, porque el efecto puede ser bastante grande. Hay tres formas principales de tratar este problema y un método auxiliar.

La primera es la más simple: use una aleación especial llamada invar para hacer la barra de péndulo. Invar cambia la longitud muy poco en un amplio rango de temperatura, por lo que el problema se resolvió.

El siguiente método es hacer lo que se llama un péndulo de hierro de rejilla (que, por cierto, es donde obtenemos el término parrilla para referirnos a un campo de fútbol americano). Esencialmente, la idea es usar varias varillas de diferentes metales que están unidas de tal manera que la expansión hacia abajo de algunas varillas se cancela por una expansión hacia arriba de otras. Se ven así:

(Nuevamente, gracias a Wikipedia por la imagen).

La última forma, que rara vez se usa más, pero es mi favorita, es hacer que el péndulo se mueva con cilindros de vidrio medio llenos de mercurio. Cuando la temperatura cambia y la varilla se expande hacia abajo, el mercurio en el bob también se expande, pero se expande hacia arriba en la mitad vacía del cilindro para que el centro de masa no se mueva a continuación. Creo que es una solución muy elegante, y también se ve genial. Aquí hay una foto:

(Imagen esta vez cortesía de Medford Clock).

¡Así que ahora sabes algo de horología! Espero que lo encuentres tan fascinante como yo y decidas investigar más sobre el tema.

Si retira el péndulo y el ancla de un reloj de péndulo enrollado, las manecillas girarán rápidamente hasta que el peso alcance el fondo de la caja. Eso es lo que las manos “intentan” hacer, con la energía para hacerlo proporcionada por el peso (o un resorte).

El ancla del péndulo se balancea hacia adentro para evitar que la rueda de escape gire, aunque todavía lo está intentando. A medida que gira hacia el otro lado, la rueda de escape le da un pequeño impulso, ya que se le permite moverse brevemente (tic). Luego, la rueda se bloquea en el otro lado y ocurren las mismas cosas (tock).

La rueda de escape solo necesita proporcionar un impulso suficiente para superar las pérdidas por fricción, ya que el balanceo pendular proporciona la mayor parte de la energía.

Ahora, puede parecer que este empuje constante del péndulo hacia adelante y hacia atrás interferiría con el período del péndulo, pero debido al fenómeno de la isocronía, el período solo depende de la longitud de la varilla del péndulo. Empuje más rápido, y se necesita un giro más amplio, tomando, por ejemplo, un segundo para hacerlo. Déjelo en sus dispositivos naturales y toma un giro más estrecho, más lento, aún tomando un segundo para hacerlo.

Entonces, si reemplacé todos los engranajes mecánicos con, digamos, un electroimán controlado por computadora que empujó (o tiró) el péndulo para poner energía en el columpio, al variar la potencia del imán, vería el ancho del columpio cambiar pero no el punto … la isocronía es ordenada.

Supongo que también se podría construir un péndulo controlado por computadora que controla su longitud y se ajusta para compensar los cambios de temperatura y mantener el período manteniendo el mismo principio que el método de metales / mercurio variable.

Sería un gran dispositivo de enseñanza.

¿Quieres decir cómo se balancea el péndulo? No está agregando ninguna energía nueva, solo está usando la energía cinética / potencial ya presente en el sistema. La energía no puede ser creada o destruida, solo convertida. Los relojes de pie funcionan bien dentro de las leyes de la física.