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Hilo: ... funcionamiento de nuestros relojes, desde el punto de vista físico, mecánico… - Foro General

  1. #1
    Avatar de forno de lenha
    forno de lenha está desconectado Milpostista

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    ... funcionamiento de nuestros relojes, desde el punto de vista físico, mecánico…

    … buenas … viendo un hilo de un compañero de esta nuestra afición, me he animado a preparar este… pues hace tiempo que tenía ganas de reflexionar en alto acerca del funcionamiento de nuestros relojes, desde el punto de vista físico, mecánico…

    … para empezar… a modo de ejemplo… vamos con un caso similar que nos es muy cercano y sencillo… un termómetro…

    … para usar la temperatura como medida de “calidez” o de “frialdad”, necesitamos construir una escala de temperatura… para ello, podemos usar cualquier propiedad medible de un sistema que varíe con su “calidez” o “frialdad”...

    … un sistema común para medir la temperatura es un tubo de vidrio con un depósito de mercurio en un extremo… cuando el sistema se calienta, el mercurio se expande y sube por el tubo, y el valor de la longitud L aumenta… otro sistema sencillo es una cantidad de gas en un recipiente al que se le acopla un manómetro... la presión P medida por el manómetro aumenta o disminuye, al calentarse o enfriarse el gas… un tercer ejemplo es la resistencia eléctrica R de un alambre conductor, que también varía al calentarse o enfriarse el alambre… todas estas propiedades físicas nos dan un número (L, P, R) que varía con la calidez y la frialdad, así que pueden usarse para hacer un termómetro…; … como la resistencia puede medirse con gran precisión, los termómetros de resistencia suelen ser más precisos que los de otro tipo…

    … para medir la variable temperatura, medimos otra magnitud variable relacionada, mientras todos los demás parámetros permanecen constantes… de otro modo, para medir la variable tiempo, vamos a medir directamente esa variable, sin intermediarios, pero poniendo mucho cuidado en que todos los demás parámetros permanezcan constantes…

    … por tanto, para construir un reloj, necesitamos un sistema en el que el tiempo esté directamente relacionado con algún fenómeno físico y con sus elementos constantes, y que no dependa de ningún parámetro más, es decir, que sea independiente de todas las variables físicas del sistema…

    … esto pinta a un sistema idealizado, no real… por lo que tendrá validez mientras permanezcamos dentro de ese rango idealizado… si nos salimos, probablemente no se cumplirá la relación, y estaremos midiendo mal el tiempo… adelantos, retrasos…

    … el fenómeno físico que se utiliza para la medición del tiempo es una oscilación, un movimiento periódico, repetitivo… en concreto, el Movimiento Armónico Simple (MAS)… ejemplo… uno de nuestros hijos balanceándose en un columpio… ¿sí? o ¿no?...

    … ¿por qué es importante el movimiento armónico simple?... no todos los movimientos periódicos son armónicos simples… en un movimiento periódico general, si los desplazamientos son suficientemente pequeños, entonces se cumplirán las condiciones del MAS, y conocemos sus ecuaciones físicas que describen perfectamente el movimiento, su trayectoria, velocidad y aceleración en todo momento…

    … es decir, si la amplitud es pequeña, las oscilaciones de tales sistemas son más o menos armónicas simples… así, podemos usar el MAS como modelo aproximado de muchos movimientos periódicos distintos, como la vibración del cristal de cuarzo de un reloj de pulsera, el movimiento de un diapasón, la corriente eléctrica en un circuito de corriente alterna, y las vibraciones de los átomos en las moléculas…

    … ¿podemos usar las ecuaciones del modelo físico MAS con el sistema de nuestro hijo en el columpio?... la respuesta es no… sólo lo podremos utilizar si la amplitud del movimiento es pequeña… y nuestro hijo se empeña en buscar oscilaciones lo más amplias posibles, en busca de una mayor diversión… pero ahora ya comprendemos por qué un reloj de pared, de péndulo, tiene un péndulo muy largo, pero que oscila con muy poca amplitud… nada que ver con ese chaval en el columpio…

    … resumiendo, modelo aproximado, idealizado…
    … ya empezamos idealizando que las oscilaciones han de ser de pequeña amplitud… y habrá más, habrá más…

    … vamos con ese reloj de péndulo… su movimiento es similar a un MAS, del que conocemos que el período T, tiempo que tarda en una oscilación completa de ida y vuelta, depende únicamente de L y g, Longitud del péndulo y gravedad… curioso que no dependa de la masa que cuelga al final, verdad?... podríamos sustituir esa masa m por otra 3m, por ejemplo, y el reloj seguiría su marcha sin perturbación alguna…

    … otra conclusión muy, muy importante es que en el MAS el período T no depende de la amplitud A… para valores dados de L y g en nuestro reloj de péndulo, el tiempo de una oscilación completa es el mismo, sea la amplitud mayor o menor (recordemos, siempre dentro del rango de pequeñas oscilaciones)… lo mismo que si era la masa m más o menos grande…; … esto es lógico: una mayor amplitud A implica que la masa alcanza valores mayores de desplazamiento, se somete a fuerzas de restitución del equilibrio mayores, esto aumenta la rapidez media del cuerpo durante un ciclo completo, lo cual compensa exactamente la necesidad de recorrer una mayor distancia, de modo que el tiempo total es el mismo…; en un MAS el tiempo es independiente de la amplitud A de las oscilaciones, y esto es muy importante para cuando se está acabando la energía que mueve el reloj… ya sea de un muelle real, de unos pesos colgantes… o en el columpio, del padre impulsor que se aburre…

    … en esencia las oscilaciones de un diapasón son MAS; ello implica que siempre vibra con la misma frecuencia, sea cual sea la amplitud; esto permite usar el diapasón como estándar para tono musical... si no fuera por esta característica del MAS, sería imposible hacer que los relojes mecánicos y electrónicos fueran exactos, o tocar afinadamente la mayoría de los instrumentos musicales… uséase… el MAS es la caña… porque su período T es independiente de la amplitud variable A…

    … volviendo a nuestro reloj de péndulo, hemos llegado a que el período T solo depende de las constantes L y g… es estupendo que no dependa de nada variable… y por esto mismo, este fenómeno físico conocido como péndulo simple ha facilitado que a partir de él hayamos construido un reloj…; … pero, ahora viene el problema, amigos… ¿son L y g verdaderamente constantes?... no, no lo son… la gravedad no es la misma en una ciudad a nivel del mar que en otra a 3.000 metros de altitud… la Longitud del péndulo no es la misma a 10 ºC que a 35ºC… ya, sí, la variación es muy pequeña… para una sola oscilación sí, pero para todas las que se dan en un día, hace que nuestro reloj de péndulo adelante o atrase… os muestro imágenes de ejercicios de física de nivel universitario donde se intuye que nuestro reloj de péndulo no es perfecto...





    … por si os interesa, de este último, la respuesta al apartado c es que se adelanta 5,2 segundos al día, por un cambio de temperatura de 10ºC… me da que ya no está en COSC…

    … el que viene a continuación es buenísimo…



    … pues bien, ¿cómo podemos darle solución a este escollo que nos hemos encontrado?... por un lado, comprando un reloj de péndulo de calidad… en el que los ingenieros hayan invertido tiempo y esfuerzo en buscar materiales en los que esa longitud L varíe lo menos posible con la Temperatura… y por otro lado, comprando servicios de calidad, de un buen relojero de cabecera… que cuando nos mudemos de ciudad y nos llevemos nuestro reloj de péndulo de calidad a otra ciudad con muy distinta altitud… acondicione nuestro reloj para que de nuevo tenga una marcha regular, exacta y precisa… obviamente, esto lo hará teniendo en cuenta que g ha cambiado, cambiará un poco la L, es decir, subirá o bajará la masa en el péndulo, hasta que la marcha sea la correcta… en fin, amigos, que esto es una mezcla de comprar un buen reloj y darle un adecuado mantenimiento…



    … ¿pasará lo mismo en un reloj de rueda de balance?... en estos relojes, nuestros habituales de muñeca, el MAS es angular, no lineal, pero sus ecuaciones que lo definen son similares, solo que en vez de desplazamientos hablamos de ángulos… el resto es todo igual…; … debemos celebrar que nuevamente, el período T no depende de la amplitud (variable) de las oscilaciones A, lo que nos facilita poder construir un reloj…; … en este caso, el período T de una oscilación completa depende de:
    - la constante de fuerza elástica k del muelle, de la espiral
    - la masa del volante, … donde seguimos idealizando, de modo que consideramos que los segmentos que unen el aro del volante con su centro tienen masa depreciable frente a la masa del aro del volante, así que habrá que construirlos de esa forma… y también consideramos despreciable la masa de la espiral frente a la masa del volante…; trabajo para los ingenieros…
    - el radio del volante

    … nos crecen los enanos nuevamente… ¿son constantes estos valores?... y nuevamente, tenemos trabajo para ingenieros y relojeros de cabecera… la Temperatura ¿afectará al radio del volante? ¿a la elasticidad de la espiral?... ¿se fatigará con el tiempo el material de la espiral, perdiendo elasticidad? …

    … ya solo nos falta añadir un concepto más… la fricción… si no existiera, el niño del columpio jamás dejaría de oscilar, pero como hay esa fricción en el pivote, es necesario su padre dando un pequeño impulso adicional en cada oscilación, para que no acabe parado en la posición vertical de equilibrio… bien, pues eso mismo es lo que hace el conjunto barrilete, muelle real, tren de rodaje, rueda de escape, en uno de nuestros relojes… en cada oscilación, compensa la energía perdida en fricción, aportando de nuevo un pequeño impulso al volante, y a base de pequeños impulsos, nos vamos quedando sin cuerda en el reloj, y al final, el volante, por la fricción, se para… lo mismo que el padre, que empuja hasta que se aburre, se larga, y el niño, poco a poco, para de balancearse…

    … un MAS con fricción se llama oscilación amortiguada, y su período T depende de un valor más… b, que es una constante que describe la intensidad de la fuerza amortiguadora en la fricción por flujo de fluidos viscosos, como en los amortiguadores de nuestros coches o el deslizamiento entre superficies lubricadas con aceite, como en nuestros relojes…

    … y nuevamente nos preguntamos… ¿es b verdaderamente una constante?... pues no, amigos… los aceites se resecan y aumenta la fricción, aumenta b, cambia el período de una oscilación, y al final del día el reloj pierde exactitud… toca visitar a nuestro relojero de cabecera…

    … en resumen, un MAS es un sistema ideal, y debemos hacer todo lo posible para acercar la realidad a ese modelo idealizado, para que de verdad se cumpla que el período T sea constante a lo largo del tiempo, y que nuestro sistema sea un verdadero reloj…; debemos cuidar y procurar que sigan siendo constantes a lo largo del tiempo: k, b, m, r…

    … amigos, comprad buenos relojes, y tened cerca a un buen relojero de cabecera…

    … y hablando de relojeros… imaginemos que el reloj no marcha bien… y que los aceites están resecos, por ejemplo, porque ese reloj ha estado mucho tiempo en un escaparate, sometido a luces y calor, en fin, qué sé yo… y a los dos años de comprarlo, no va bien, y que la causa sean los aceites resecos… un buen relojero lo vería claro, ese estado de los aceites… pero nosotros nos hacemos los valientes, abrimos el reloj, atacamos el calibre, y dejamos b como está, los mismos aceites… k también, los mismos muelles… pero nos da por tocar esas pequeñas masas alrededor del volante sacándolas hacia fuera, o lo que sea… estamos modificando m y r, es decir, una pequeña masa le estamos dando un poco más de r… y lo mismo el reloj vuelve a marchar bien… pero no es lo correcto… lo suyo habría sido atacar la b, cambiando los aceites, pues era la verdadera causa del efecto de mala marcha del reloj… en fin, amigos, en serio, hay muy buenos relojeros dispuestos a cuidar de nuestros relojes de calidad tal y como se merecen...

    … ah, y mejor no hablamos de darle golpes al reloj, antichock y esas cosas… que sería como darle una patada voladora a vuestro hijo en el columpio… y me entra el nervio solo de pensarlo…
    ¡Cuántos buenos recuerdos le debemos a la mala memoria!

  2. #2
    5sports1963 está desconectado Habitual

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    Perpetuum Mobile + Emc2...............

  3. #3
    Avatar de jmof10
    jmof10 está desconectado Milpostista

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    Buen post forno, gracias, a favoritos para tenerlo a mano

  4. #4
    Avatar de suzukiman
    suzukiman está desconectado Habitual

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    Ostras pedrin....si yo solo queria saber la hora......
    NO TIENES UN ROLEX?????? Yo tampoco....

  5. #5
    Avatar de gaelibus
    gaelibus está desconectado Forer@

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    Ahí está la gracia de la relojería, crear mecanismos de compensación para todas esas amenazas a nuestras bonitas y elegantes ecuaciones de primero de carrera ;)


    Sent from my iPad using Tapatalk

  6. #6
    Avatar de atilanet
    atilanet está desconectado Forer@

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    ... y que despues de explicarlo tú, compañero, parezca algo evidente (aunque para nada lo sea)...; post como este no tienen precio
    "Soy responsable de mis acciones, no necesito esconderme detrás de nada. Lo que sea que hice... lo hice". Lemmy Kilmister

  7. #7
    Avatar de luima
    luima está desconectado De la casa

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    Que barbaridad de hilo!!,,te lo has currado bien,,muchas gracias por compartirlo,,

    M
    irando el Tiempo Pasar


  8. #8
    Avatar de Gcs190
    Gcs190 está desconectado Habitual

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    Un apunte: con la temperatura no se mide calor/frío, se mide calor (energía) y en escalas "domésticas" calor o su ausencia, no existe fisicamente el frío sino la ausencia de calor, para que me entiendas, un aire acondicionado no dá frío, transporta el calor de un lado (evaporador) a otro (condensador) utilizando un fluido y los estados de agregación. Nuestro s.m. en °C en este caso es menos "honesto" que los °Farenheit

    Perdona el comentario, deformación profesional indirecta.

  9. #9
    Avatar de hariseldon
    hariseldon está desconectado Milpostista

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    Una explicación magistral. Muchas gracias

  10. #10
    Avatar de cirdan
    cirdan está en línea Forer@

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    Buen hilo, muchas gracias por la explicación,

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