El cronolito (técnica)

¿Podría la sola fuerza de la luz mover un péndulo de 4 kilos? Y si es así, ¿es posible convertirlo en un reloj? Para intentar responder a esta pregunta he creado este reloj, tan diferente de todos los demás. El péndulo oscila a una frecuencia de 1 segundo, y dos lámparas a cada lado se encienden alternativamente, «empujando» el péndulo cada vez. El principio de su funcionamiento fue descubierto por Sir William Crookes en 1873. Actúa no sólo como motor del volante, sino también como freno, regulando su amplitud dentro de un margen muy preciso. El interior del tubo se evacua a un vacío de unos 0,01 bares. El volante se pone en marcha mediante un imán colocado cerca del cristal. La base horaria se ajusta desde el exterior haciendo girar las 4 pesas planetarias alrededor de la esfera del volante mediante el mismo imán. Esto evita tener que llenar el reloj de aire, desmontarlo y vaciarlo de nuevo para cada ajuste. El reloj se compone pues de un tubo de vidrio, un péndulo, dos células (simples láminas de mica), dos relés y un reloj de cuarzo al que se le ha quitado el cuarzo. Eso es todo. Todo el reloj está montado sin tornillos ni pernos y se mantiene unido únicamente por la fuerza de la presión atmosférica. Para desmontarlo, basta con dejar entrar aire en el tubo.

La idea de este reloj se me ocurrió en abril de 2001, el equipo se encargó en mayo y la primera prueba comenzó el miércoles 7 de noviembre. Era un momento crucial: si la prueba demostraba que el sistema no podía funcionar, me quedaría con un tubo de cristal y una gran bomba de vacío en las manos. ¿El primer proto? una pelota de petanca suspendida, y un increíble montón de 30 láminas de mica (simple aislante de transistores), una de cuyas caras estaba ennegrecida por el humo de las velas. Se fijó un sensor en el exterior del tubo de vidrio, lo vacié y puse en marcha el péndulo hacia las 4 de la tarde. Como el péndulo tarda una hora en estabilizarse, me fui a tomar algo mientras esperaba los resultados. Cuando volví, el péndulo seguía moviéndose. Como no estaba seguro de si lo hacía por su propia inercia, volví a tomar otra copa. A las 19 horas, el péndulo seguía moviéndose y la amplitud era constante, así que volví para celebrarlo. A las 10 de la noche, el reloj seguía moviéndose, pero yo iba mucho más despacio…

Este reloj consiste en un tubo de vidrio Pyrex (diámetro 190 mm, grosor 8 mm) insertado en un bloque de cuarcita impregnado de resina epoxi para garantizar su hermeticidad. La gran esfera visible en la foto es la esfera, con sus agujas horaria y segundera. En enero se cambió por una más pequeña por razones estéticas.

Las primeras pruebas demostraron que es increíblemente fiable. Alrededor de 2 segundos de retraso al mes.

«Esta es la séptima y última versión del motor. Llevó mucho tiempo desarrollarlo, porque el equilibrio tarda al menos tres horas en alcanzar su amplitud de crucero tras el impulso inicial. Primero hubo que trabajar en el grado de depresión del aire y luego en la forma del motor para obtener la mayor ganancia posible. (Hay que darse cuenta de que el reloj no puede funcionar si entra medio dedal de aire…) Una vez hecho esto, empecé a poder reducir la potencia de las bombillas de 35 vatios a sólo 5 vatios. Esto debería darles una vida útil de 32.000 horas, algo menos de 4 años.

Este reloj es «orgánico», porque se adaptará a las circunstancias físicas desfavorables para mantener su precisión: compensará automáticamente cualquier cosa que pueda hacer fluctuar la amplitud del péndulo. Me explico: supongamos que aumenta la potencia de las lámparas. La amplitud le seguirá automáticamente. Por lo tanto, el péndulo llegará con mayor velocidad delante de la célula, que encenderá antes la bombilla halógena, lo que… frena el péndulo durante unas millonésimas de segundo, luego lo empuja como de costumbre.

(19 de diciembre de 2001) Los últimos días los he dedicado principalmente a afinar el isocronismo del péndulo en relación con la presión en el interior del tubo. Pero como está fijado a mi banco de trabajo, cada uno de mis movimientos induce perturbaciones de hasta 150 millonésimas de segundo, lo que provoca picos en la pantalla del ordenador de medición. Por lo tanto, me ha resultado imposible seguir trabajando así. Así que mañana voy a fijarlo contra la pared, cerca del escaparate, para que el reloj sea lo más estable posible. Y las pruebas de precisión podrán continuar sobre una base mejor…

(30 de diciembre de 2001) Las pruebas de precisión han comenzado. Primera observación: es muy fácil ajustar la longitud del péndulo utilizando imanes. Segunda observación: el reloj es extremadamente preciso. No hay ondulaciones parásitas ni fluctuaciones incomprensibles. Las variaciones actuales de la presión del aire en el tubo dan lugar a fluctuaciones de no más de 5 millonésimas de segundo por latido. (Estas variaciones desaparecerán cuando el tubo esté montado definitivamente, ya que actualmente tiene algunas pérdidas. Tengo que encender la bomba de vacío cada 9 horas, de lo contrario el reloj se para…) Mis pequeñas preocupaciones actuales provienen de la forma en que mido a través del tubo, que sigue siendo de 16 mm de vidrio Pyrex. Como los reflejos del rayo láser de medición provocan imprecisiones aleatorias, tomé mis medidas directamente sobre una de las lámparas. Cada medición tomada por separado puede ser inestable hasta 8 segundos al día, pero la media será muy fiable. En la muestra de abajo, tomada a lo largo de 4,9 horas, podemos admirar la estabilidad de todas las mediciones: 1,9 segundos de desviación al mes. Esta medición ha sido confirmada posteriormente por muestras mucho más largas. Este reloj es, por tanto, el más preciso de todos los que he construido Así pues, lo que empezó siendo un simple reto (fabricar un péndulo movido por la simple fuerza de la luz) se ha convertido en una recompensa. La aventura continúa…

(muestra de 4,9 horas. 0,0000007 segundos de retraso por latido del péndulo. Es decir, 1,9 segundos por mes)

(20 de enero de 2002) He recibido una nueva bomba de vacío y un dispositivo más eficaz para medir y regular el vacío de aire. Esto significa que el reloj estará funcionando en su configuración óptima hacia finales de esta semana… ¡Estén atentos!

(28 de enero de 2002) Todas las pruebas de esta semana se referían a la fluctuación del tiempo en función de diferentes presiones de aire. Los resultados son alucinantes. He aquí algunos datos.

– La luz de los halógenos hizo que el péndulo se moviera a partir de un vacío de 6 X 10 potencia -1 bar.

– Sigue moviéndolo a 1,4 X 10 potencia – 2 bar (potencia máxima de mi bomba)

– Dentro de estos dos valores no se observó ninguna diferencia notable en la precisión o fluctuación del movimiento del péndulo

– El ajuste de los engranajes planetarios en medio grado produce un desplazamiento de aproximadamente 0,0000007 segundos por latido, es decir, aproximadamente 1 segundo al mes.

– Las diferencias de temperatura en el taller (una subida de unos 4° durante esta semana) no parecen influir en el movimiento de la balanza. Esto me sorprende mucho: deberían hacerlo. Probablemente se deba a la autorregulación interna del isocronismo, pero aún está por confirmar.

(29 de enero de 2001) Esta mañana me he quedado de piedra al descubrir que, mientras que los gráficos de precisión eran siempre planos, ahora había…

picos regulares e incomprensibles, que empezaron hace 12 horas y aparecen cada 2 minutos. La balanza empieza a acelerarse hasta 1,99500 segundos, y luego vuelve lentamente a su valor normal. El tiempo total de cada perturbación es de 22 segundos. Este problema se resolvió rápidamente: se trataba simplemente de que la base del reloj se había movido durante la noche, y el péndulo tocaba la pared de cristal cada 2 minutos. Pero el gráfico resultante revela algo mucho más importante: la constancia de la «presión» sobre el péndulo. Si los picos se hubieran dispuesto de forma más anárquica, habría significado que esta «presión» no era constante y, por tanto, una fuente de inexactitud. Éste no es el caso.

(3 de febrero de 2002) Las pruebas de las dos próximas semanas se centrarán en la precisión en función de la temperatura, la luz y los niveles de depresión. Este es el aspecto del pobre Cronolito en su sala de tortura. Se ha desmontado la piedra, se ha retirado la esfera y una multitud de sensores y láseres están registrando todos los parámetros…

(8 de marzo de 2002 ) Los trabajos avanzan y el Cronolito ha encontrado por fin su forma definitiva.

(24 de marzo de 2002) Hablemos ahora de los defectos de este reloj, porque son mucho más interesantes e instructivos que sus cualidades. ¿Qué ocurre, por ejemplo, si se funde una bombilla? ¿Y qué efecto tiene el desgaste de la lámpara sobre la amplitud del péndulo? Dado que el efecto radiométrico depende en gran medida de la intensidad de la luz, el péndulo debería ralentizarse inmediatamente. Pero el reloj se corrige considerablemente. La imagen de abajo muestra exactamente cómo. Hasta la mitad de la imagen inferior, una de las bombillas está enmascarada, lo que significa un 25% menos de potencia. Después, quito la máscara. La curva aumenta entonces unas 5 millonésimas de segundo por latido, es decir, menos de 0,5 segundos al día. Por lo tanto, será muy fácil compensar cualquier desviación temporal cambiando la tensión en los terminales de la lámpara. Esto tendrá el mismo efecto que girar las pesas, pero sin tener que detener el péndulo.

Esta muestra se tomó con una tensión de lámpara de 7,3 voltios, con un vacío de 2,7 X 10 potencia -1 milibares. Se trata de un láser que mide los pasos del péndulo a través del tubo de vidrio. Podemos ver fluctuaciones aleatorias entre cada muestra de hasta 20 millonésimas de segundo. Es muy importante saber de dónde proceden. No se deben a diferencias en la intensidad del efecto radiométrico, como podría pensarse en un primer momento. No: se deben a la forma en que se diseñó originalmente el Cronolito. Las células que registran el paso del volante son células infrarrojas cuyos rayos son reflejados por un reflector colocado en el volante. Y no son en absoluto precisas. Si coloco mi aparato de medición directamente sobre las salidas de las células, esto es lo que obtengo cuando lo ajusto a la misma escala…

Lo que vemos aquí es un generador de números aleatorios entre 1,999300 y 2,000700 moviendo un reloj muy preciso. También podemos ver muy claramente qué correcciones se harán en el siguiente. Lo único que hay que hacer es sustituir los detectores de infrarrojos por otros láseres. La estética del Chronolith se resentiría si los instalara. Esta fue la parte más difícil de su construcción. Habría sido mucho más fácil coger un tubo más grande, eliminar esta piedra, evitar todos estos problemas de estanqueidad… pero no: el Chronolith es ahora tal como lo quería, coherente, acabado y como surgido de una sola línea.

El péndulo

(21 de abril de 2002) El Chronolith sigue a prueba. Estos días, lo dejo morir lentamente de asfixia dejando que entre aire, mientras el ordenador de control registra todos los parámetros. Todavía consigue empujar el péndulo a una presión de 8,5 x 10 a la potencia de 1 milibar. Otras pruebas en curso incluyen la exposición a la luz solar directa para evaluar su capacidad de autocompensación. Estas pruebas deberían durar un mes más, el tiempo necesario para adquirir todos los conocimientos posibles, y después el reloj se expondrá durante algún tiempo en el Musée International d’Horlogerie de La Chaux de Fonds.

(1 de julio de 2002) El Chronolithe gana el primer premio en la categoría «Engineering Ingenuity» del concurso internacional organizado por la Kinetic Art Organisation (Miami).

(23 de septiembre de 2002) El Chronolithe se instala en la entrada del Musée International d’Horlogerie de La-Chaux-de-Fonds.

Y si siente curiosidad por un problema de física hasta ahora no resuelto que ha planteado el Cronolito, ahora es el momento. Estas líneas sólo interesarán a los científicos.

Hay una cuestión aún sin resolver sobre el Cronolito. Echa un vistazo al diagrama de abajo…

Un rayo láser es cortado cada segundo por el curso del péndulo. Mi ordenador está configurado para capturar el tiempo total de 10 oscilaciones y registrar el tiempo medio de una oscilación en un archivo de datos. En la imagen de arriba, el centro de la imagen está ajustado a un segundo y los intervalos de la escala de grises a 0,000050 segundos.

Los relojeros siempre buscan la línea más plana. Una línea más alta nos indica que el reloj va demasiado rápido, y una más baja muestra que el latido del péndulo es demasiado lento. El gráfico anterior se ve razonablemente bien, pero el software no traza todos los puntos. Un análisis más detallado de los datos con Microsoft Excel es mucho más interesante. Si lo solicita, puede descargar un archivo Excel muy pesado (5 Mo) con muchos más detalles de los datos registrados.

Esta vista de los datos de Chronolith muestra claramente que el péndulo está en algún momento 0,000020 segundos demasiado rápido y justo después aproximadamente 0,000020 demasiado lento. ¿Por qué? El histograma siguiente muestra la distribución de los intervalos de tiempo medidos.

Histograma calculado por Bob Holmstrom

Esto no puede ser casualidad. Lo único que estoy seguro es que este hecho ocurre cada vez más a menudo cuando aumenta la presión del aire dentro de la tubería. Si dejo penetrar lentamente algo de aire en el interior del tubo hasta que el efecto radiométrico desaparece, podemos ver que las
perturbaciones aparecen cada vez con más frecuencia en un rango más amplio hasta que el péndulo se detiene.

Histograma calculado por Bob Holmstrom

La pregunta de por qué podemos ver este tipo de fenómenos nunca ha sido respondida hasta ahora.