Resorte motor

Los resortes motores aparecieron en los primeros relojes accionados por muelles en la Europa del siglo XV. Reemplazó al peso que se colgaba de un cable enrollado alrededor de una polea, que era la fuente de energía utilizada en todos los relojes mecánicos anteriores. Alrededor de 1400 comenzaron a usarse resortes helicoidales en cerraduras,[1] y muchos de los primeros relojeros también eran cerrajeros. Los resortes [2] que se aplicaron a los relojes para hacerlos transportables y más pequeños que los relojes anteriores impulsados por pesas, evolucionando hacia los primeros relojes de bolsillo en 1600. Muchas fuentes atribuye erróneamente la invención del resorte motor al relojero de Núremberg Peter Henlein (también escrito Henle o Hele) alrededor de 1511.[3][4][5] Sin embargo, existen numerosas referencias en fuentes del siglo XV a relojes portátiles 'sin pesas', y al menos dos ejemplos que se conservan, muestran que los relojes accionados por resorte existían en los primeros años de aquel siglo.[1][6][7] El reloj más antiguo que se conserva impulsado por un resorte es el Burgunderuhr (Reloj de Borgoña), un reloj de cámara dorado profusamente decorado, actualmente conservado en el Museo Nacional Germano de Núremberg, cuya iconografía sugiere que se construyó alrededor de 1430 para Felipe III de Borgoña.[1]

Los primeros resortes motores se fabricaron en acero sin procesos de templado o endurecimiento. No almaceban mucha energía, y había que enrollarlos dos veces al día. Henlein se destacó por fabricar relojes que funcionaban 40 horas entre recargas. Berthoud[8] y Blakey[9] describió los métodos de fabricación de resortes motores utilizados en el siglo XVIII.

Fuerza constante de un resorte

Curva de par de un muelle real. La fuerza (par) que proporciona disminuye linealmente a medida que se desenrolla

Curvas de torsión de resortes principales en barriletes (1879). La sección central más plana proporciona una fuerza más constante durante el período de funcionamiento, lo que permite que el movimiento del reloj más uniforme y preciso

Un problema en la historia de los relojes accionados por resorte es que la fuerza (par motor) proporcionada por un resorte no es constante, sino que disminuye a medida que el resorte se desenrolla (véase el gráfico). Sin embargo, los relojes tienen que funcionar a una velocidad constante para mantener la hora exacta. Los mecanismos de cronometraje nunca son perfectamente isócronos, lo que significa que su velocidad se ve afectada por los cambios en la fuerza motriz. Esto fue especialmente cierto en el tipo primitivo foliot utilizado antes de la llegada del resorte regulador en 1657. Por lo tanto, los primeros relojes se ralentizaban durante su período de funcionamiento a medida que el resorte principal se agotaba, lo que provocaba un cronometraje inexacto.

Dos soluciones a este problema aparecieron en los primeros relojes de resorte del siglo XV; el stackfreed y el caracol:

Remontoire

Un cuarto dispositivo utilizado en algunos relojes de precisión fue el remontuar (del francés "remontoire", dar cuerda), un pequeño resorte o peso secundario que accionaba el mecanismo de escape del reloj, y el resorte real lo rebobinaba periódicamente. Esto permitió aislar el elemento de cronometraje de la fuerza variable del resorte principal. Para evitar que se detenga un reloj mientras se le da cuerda, se utiliza un sistema denominado mantenimiento de marcha.

Barrilete

Motores de cuerda de gramófonos

Esquemas del motor de cuerda de un gramófono. A la izquierda de la consola puede verse el mecanismo regulador de velocidad, muy similar a un regulador centrífugo de Watt

Aunque ya se habían utilizado en cajas de música, el desarrollo de los primeros gramófonos accionados por motores de cuerda, impulsó el desarrollo de dispositivos con capacidad para almacenar algunos minutos de marcha para su uso en máquinas de considerable tamaño, con la exigencia añadida de mantener una velocidad de giro uniforme a lo largo de todo su período de funcionamiento. El perfeccionamiento de los motores de cuerda de los gramófonos se debió al ingeniero estadounidense Eldridge R. Johnson, que a partir de 1894 se dedicó a resolver los problemas mencionados, iniciando la popularización de las máquinas reproductoras de discos, mucho antes de que se generalizara la utilización de los motores eléctricos en los modernos tocadiscos.[10]

El sistema motor de los primeros gramófonos totalmente mecánicos ideados por Johnson para su compañía, la Victor Talking Machine Company, sería imitado por sus competidores, como en el caso de los fonógrafos diseñados por Edison. Todas estas máquinas disponían de un gran barrilete con un fleje arrollado de un acero de considerable dureza en su interior, que se tensaba mediante una manivela (situada para ser manejada con la mano derecha). Estaba equipado además con un trinquete, con el fin de evitar que el muelle se destensara de golpe a medida que se enrollaba. Este barrilete impulsaba un juego de engranajes multiplicador, calculado para obtener una velocidad del giradiscos como mínimo de 78 rpm (la velocidad de giro más común de los primeros gramófonos, aunque las máquinas de Edison funcionaban a 80 rpm). La configuración básica se completaba con un regulador de velocidad centrífugo, que mediante un sistema de contrapesos, frenaba automáticamente el giradiscos cuando rotaban a una velocidad superior a la de diseño. Para ello, se utilizaba un disco solidario con los contrapesos, que al desplazarse se comprimía contra unas zapatas de fieltro o de cuero. Para el ajuste fino de la velocidad, los gramófonos solían disponer de un mando regulable, que permitía controlar la separación entre el disco de frenado y las zapatas.[11]

Muelles principales de los relojes de bolsillo Elgin de alrededor de 1910, que muestran los tres tipos (de izquierda a derecha): espiral, semiretroceso, reverso

Un muelle de reloj moderno es una tira larga de acero endurecido y pavonado, o de una aleación de acero especiali, de 20 a 30 cm de largo y 0,05 a 0,2 mm de espesor. El muelle real en el movimiento común de 1 día se calcula para permitir que el reloj funcione durante 36 a 40 horas, es decir, 24 horas entre las vueltas diarias con una reserva de marcha de 12 a 16 horas, en caso de que el propietario dé cuerda tarde al reloj. Este es el estándar normal para los relojes de cuerda manual y los automáticos. Los movimientos de 8 días, utilizados en relojes con reserva de cuerda semanal, proporcionan energía durante al menos 192 horas, pero utilizan resortes principales más largos y barriletes más grandes. Son similares a los resortes de los relojes de pulsera, solo que más grandes.

Desde 1945, el acero al carbono ha sido reemplazado cada vez más por nuevas aleaciones especiales (hierro, níquel y cromo con la adición de cobalto, molibdeno o berilio), normalmente sometidas a laminación para obtener su endurecimiento estructural. Conocidos por los relojeros como resortes de 'metal blanco' (a diferencia del acero al carbono azulado), son metales inoxidables y tienen un límite de fluencia más alto. Están menos sujetos a flexiones permanentes (por fatiga del material) y apenas existe riesgo de que se rompan. Algunos de ellos también son antimagnéticos.

En su forma relajada, los resortes principales se fabrican en tres formas distintas:

• Espiral enrollada: se enrollan en la misma dirección en toda su longitud, formando una espiral simple.
• Semi-reverso: el extremo exterior del resorte se enrolla en la dirección inversa durante menos de una vuelta (menos de 360°).
• Reverso (flexible): el extremo exterior del resorte se enrolla en la dirección inversa durante una o más vueltas (más de 360°).

Los tipos semireverso y reverso proporcionan fuerza adicional al final del período de funcionamiento, cuando el resorte está casi sin energía, para mantener el reloj funcionando a una velocidad constante hasta el final.

Muelle motor de un despertador de los años 1950. El extremo del resorte está unido a un pivote del bastidor (parte inferior derecha)

Sección transversal de un barrilete de un reloj (muelle motor completamente enrollado)

El resorte motor está enrollado alrededor de un eje llamado cenador, con el extremo interior enganchado a él. En muchos relojes, el extremo exterior está unido a un pivote fijo. El resorte se enrolla girando el eje, y después de darle cuerda, hace girar el eje en sentido contrario para hacer funcionar el reloj. La desventaja de esta disposición de "resorte abierto" es que mientras se da cuerda al resorte, su fuerza de accionamiento se elimina del movimiento del reloj, por lo que el reloj puede detenerse. Este tipo se utiliza a menudo en despertadores, cajas de música y temporizadores de cocina, donde no importa si el mecanismo se detiene mientras se enrolla. El mecanismo de cuerda siempre tiene un trinquete adjunto para evitar que el resorte se desenrolle.

En la forma utilizada en los relojes modernos, el resorte motor se enrolla alrededor de un eje y se encierra dentro de una caja cilíndrica llamada barrilete, que puede girar libremente. El resorte está unido al eje en su extremo interior y al barril en su extremo exterior. Dispone de pequeños ganchos o lengüetas, a los que se une el resorte mediante orificios cuadrados en sus extremos, por lo que se puede reemplazar fácilmente.

El resorte motor se enrolla girando el eje, pero impulsa el movimiento del reloj a través del barrilete; esta disposición permite que el resorte continúe alimentando el reloj mientras se le da cuerda. Al dar cuerda al reloj, se gira el eje, con lo que se aprieta el resorte real, envolviéndolo más cerca del eje. El barrilete posee un trinquete adjunto para evitar que el resorte gire el barrilete hacia atrás y se desenrolle. Después de enrollarlo, el eje se mantiene estacionario, y el desenrollamiento del resorte real hace girar el barrilete, que dispone de una corona dentada montada alrededor, que impulsa uno de los engranajes del reloj, generalmente la "rueda central" y acciona el tren de ruedas. El barrilete generalmente gira una vez cada 8 horas, por lo que el resorte común de 40 horas requiere 5 vueltas para relajarse por completo.

Debido a que están sujetos a tensión cíclica constante, hasta la década de 1960 los resortes principales generalmente se rompían debido a fenómenos de fatiga de materiales mucho antes que otras partes del reloj, y se consideraban partes fungibles del mecanismo.[12] Las roturas a menudo se producían al final del proceso de enrollado, cuando el resorte se enrolla lo más fuerte posible alrededor del eje, sin espacio entre las bobinas. Al darse cuerda manualmente, es fácil llegar a este punto inesperadamente y ejercer una presión excesiva sobre el resorte. Otra causa fueron los cambios de temperatura. Si un reloj estaba completamente enrollado por la tarde y la temperatura bajaba por la noche, sin ninguna holgura entre las espiras del muelle, la contracción térmica del largo resorte podía hacer que se soltara en un extremo. En épocas anteriores, los relojeros notaron que los cambios meteorológicos provocaban un aumento en las roturas de los resortes motores, siendo la principal causa de reparación de relojes hasta la década de 1960.[13] Desde entonces, las mejoras en la metalurgia mencionadas anteriormente han hecho que los resortes motores rotos sean una avería rara.

Los relojes de cuerda pueden quedar detenidos con el resorte motor completamente enrollado, lo que llevó al mito de que dar cuerda a un reloj accionado por un resorte acaba dañándolo.[16] Varios problemas pueden causar este tipo de avería, pero casi nunca se debe a " rebobinado ", ya que los relojes están diseñados para soportar el enrollamiento completo.[16]

Una de las causas del "enrollamiento excesivo" es la suciedad. Los movimientos del reloj requieren una limpieza y lubricación regulares, y el resultado normal de descuidar la limpieza de un reloj es un reloj con toda la cuerda acumulada parado. A medida que el movimiento del reloj acumula suciedad y el aceite se seca, aumenta la fricción, por lo que el resorte motor no tiene la fuerza necesaria para hacer girar el reloj al final de su período de funcionamiento normal y se detiene prematuramente. Si el propietario continúa usando el reloj sin repararlo, finalmente la fuerza de fricción alcanza la parte 'plana' de la curva de torsión, y rápidamente se alcanza un punto en el que el resorte no tiene la fuerza necesaria para hacer funcionar el reloj incluso con la cuerda al máximo, por lo que el reloj se detiene con el resorte completamente enrollado. El reloj requiere limpieza, pero el problema se debe a la suciedad acumulada en el movimiento o a otro defecto, y no a un "enrollamiento excesivo".

Otra causa común de "enrollamiento excesivo" es que si un reloj se golpea, la varilla de equilibrio puede romperse y el reloj ya no puede funcionar incluso cuando el resorte está completamente enrollado.

Resorte motor de un reloj automático. El resorte no está firmemente montado en el lado izquierdo y se deslizará cuando esté completamente enrollado

Los relojes automáticos, que se introdujeron ampliamente en la década de 1950, utilizan los movimientos naturales de la muñeca para mantener el resorte principal enrollado. Un peso semicircular, que pivota en el centro del reloj, gira con cada movimiento de la muñeca. Un mecanismo de enrollamiento utiliza las rotaciones en ambas direcciones para enrollar el resorte motor.

En los relojes automáticos, el movimiento de la muñeca podría continuar enrollando el resorte motor hasta romperlo. Esto se evita con un dispositivo deslizante, que opera como un embrague.[17] El extremo exterior del resorte principal, en lugar de unirse al barril, está unido a un resorte de expansión circular llamado brida que presiona contra la pared interior del barril, que posee estrías o muescas para sujetarlo. Durante el bobinado normal, la brida se sujeta por fricción al barrilete, permitiendo que el muelle motor se enrolle. Cuando el muelle real alcanza su máxima tensión, su tirón es más fuerte que el de la brida. Una mayor rotación del árbol hace que la brida se deslice en el barrilete, evitando que se enrolle más. En la terminología relojera, esto a menudo se denomina de forma engañosa un "resorte motor irrompible".

Después de décadas de uso, los resortes motores de los relojes antiguos se deforman ligeramente y pierden algo de su fuerza, volviéndose "cansados" o "ajustados". Esta condición se encuentra principalmente en los resortes del sistema de barrilete. Este hace que el tiempo de funcionamiento entre devanados disminuya. Durante el mantenimiento, debe revisarse muelle motor en busca de problemas de "fatiga", y sustituirse si es necesario. El British Horological Institute sugiere estas pruebas:[18]

• En un barrilete de resorte motor, cuando está desenrollado y relajado, la mayoría de los giros de un resorte saludable deben presionarse contra la pared del cilindro, con solo 1 o 2 vueltas en espiral a través del espacio central para sujetarlo al eje. Si hay más de 2 vueltas sueltas en el centro, el resorte puede estar "fatigado"; con 4 o 5 vueltas debe procederse a su reemplazo.
• Cuando se retira del barrilete, si el diámetro del resorte relajado que se encuentra en una superficie plana es menos de 2½ veces el diámetro del barrilete, entonces también se considera que el muelle está "fatigado".

La reserva de energía está en la posición 6 en este reloj automático, indicando que le quedan 25 del máximo de 40 horas

Algunos relojes de alta calidad tienen una esfera adicional en la esfera que indica cuánta energía queda en el muelle motor, a menudo graduada en las horas que le quedan al reloj para funcionar. Dado que tanto el eje como el barril giran, este sistema requiere un mecanismo diferencial que mide el giro relativo del eje respecto al barril.

Un resorte principal suele ser un resorte de metal en espiral, sin embargo, hay excepciones:

• El reloj de resorte de vagón: durante un breve tiempo en la historia de la relojería estadounidense, el acero de resorte enrollable no estaba disponible en los Estados Unidos, y los relojeros inventivos construyeron relojes impulsados por una pila de suspensión de ballesta, similar a lo que tradicionalmente ha servido como resorte de suspensión para vagones.
• Se pueden concebir otros tipos de resorte y se han utilizado ocasionalmente en relojes experimentales, como los resortes de torsión.
• Existen algunos relojes que disponen de resortes fabricados con materiales no metálicos, como materiales sintéticos elásticos.

• Dispositivos clásicos
  • Relojes mecánicos
  • Cajas de música
  • Metro de cinta
  • Cable con retorno automático (por ejemplo, aspiradora, motosierra, y cortadoras de césped)
• Dispositivos antiguos
  • Telégrafo (el motor para la conducción de la tira de papel)
  • Juguetes
  • Platos del fonógrafo
  • Cámara de cine

Fotografía de un gramófono, con la manivela para darle cuerda en primer plano

Automóvil de juguete accionado con cuerda

Tren de juguete accionado con cuerda

Cinta métrica extensible, con muelle recuperador

• El dispositivo funciona en equipos portátiles, es totalmente autónomo y puede accionarse indefinidamente sin hacer uso de ninguna tecnología de alimentación no autosuficiente (batería, fuente de alimentación, combustible...). Sin embargo, requiere darle cuerda manualmente de forma periódica.
• La energía devuelta varía en la parte final del resorte, más o menos, lo que hace difícil obtener una velocidad constante.
• El ruido del mecanismo de transmisión o de regulación.
• Peso/dimensiones.

• Volante regulador
• Robot gira-reloj
• Reloj mecánico

• G.A. Berner 4-language Glossary , reedición de 1988, cortesía de FH, Federación de la Industria Relojera Suiza, Bienne, Suiza.
• Murray, Michael P. (1 de febrero de 2005). «Everything you always wanted to know about clock mainsprings». Mike's Clock Clinic. Consultado el 6 de julio de 2009.

• Otro resorte
• Muestra de un resorte
• Gemas para mecanismos de relojería
• Diccionario de la Federación de la Industria Relojera Suiza