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La relojería mecánica deja atrás a Huygens

REVOLUCIÓN

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junio 2018


La relojería mecánica deja atrás a Huygens

El oscilador del nuevo Zenith Defy Lab, perfeccionado por Guy Sémon, CEO de TAG Heuer y del Instituto de I+D de LVMH Watch Division, y su equipo de científicos, representa un gran avance.

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or primera vez, la relojería ha cosechado los beneficios de un enfoque multidisciplinario, científico, teórico e intuitivo, que hace un llamado a las matemáticas, la física, la ciencia de los materiales y la mecánica teórica más avanzada. El resultado espectacular significa que ahora hemos entrado en una nueva era post-Huygens. Es una revolución

Cuando, el 25 de febrero de 1675 en París, Christiaan Huygens presentó su revolucionario regulador, basado en el principio de un muelle conectado a un volante, no tenía idea de que su invención dominaría la relojería durante los siguientes tres siglos. Como científico, estaba excepcionalmente calificado para establecer los fundamentos teóricos de su regulador, que era más preciso que cualquier sistema anterior, pero no fue hasta que se asoció con el relojero Real que pudo poner la teoría en práctica.

El siglo XVII fue en muchos aspectos un tiempo abominable para vivir, salpicado por guerras, hambrunas y epidemias, pero fue, paradójicamente, una edad de oro científica. Se hicieron muchos avances técnicos y teóricos, incluido el «reloj calculador», la primera computadora embrionaria, que fue inventada y diseñada en 1623 por el pastor y académico alemán Wilhelm Schickard. También fue en el siglo XVII cuando se sentaron las bases de las matemáticas modernas.

Sin embargo, en 1675, mientras Huygens pudo observar el isocronismo de su muelle de volante, no pudo proporcionar una explicación teórica. Eso no sería posible hasta que se desarrollaran ecuaciones diferenciales, en el siglo siguiente.

La relojería mecánica deja atrás a Huygens

Un desarrollo en gran parte intuitivo

La paradoja de la relojería de precisión, que surgió de las observaciones de Huygens, es que se desarrolló de una manera en gran medida intuitiva. En los siglos siguientes, el principio de Huygens fue gradualmente mejorado y optimizado, gracias principalmente a los avances en la metalurgia.

La comunidad relojera, escondida en sus refugios de montaña, con la vista vuelta hacia las estrellas o hacia abajo a sus engranajes y piñones minúsculos, rara vez se encontró con ningún teórico mecánico, que en todo caso estaba ocupado en ese momento con las extraordinarias máquinas que lo harían alimentar la revolución industrial.

Sin embargo, sus fundamentos teóricos nunca fueron desafiados realmente. Y eso podría ser porque... no había fundamentos teóricos. Durante generaciones, la relojería se había mantenido alejada de la teoría científica y matemática. Cualquier cálculo que emprendieran los relojeros generalmente se enfocaría en los movimientos del cosmos, que son esenciales para dar la hora, no en la mecánica. La mecánica es una parte integral de las matemáticas y la física teórica, pero no fue hasta finales del siglo XIX cuando comenzaron a desarrollarse las teorías mecánicas. La comunidad relojera, escondida en sus refugios de montaña, con la vista vuelta hacia las estrellas o hacia abajo a sus engranajes y piñones minúsculos, rara vez se encontró con ningún teórico mecánico, que en todo caso estaba ocupado en ese momento con las extraordinarias máquinas que lo harían alimentar la revolución industrial.

El principio de Huygens fue constantemente mejorado y gradualmente perfeccionado por sucesivas generaciones de relojeros, y continuó funcionando sin problemas. No había razón para pensarlo dos veces. Además, los secretos comerciales de la relojería continuaron pasándose de maestro a discípulo, en la privacidad de sus talleres. Y esto significó que el acabado y la decoración se convirtieron en la «cara pública» del arte del relojero.

No fue hasta las décadas de 1970 y 1980 que los ingenieros fueron admitidos por primera vez a través de las puertas de manufactura. Incluso entonces, solo estaban allí para diseñar e instalar líneas de producción cada vez más sofisticadas, para ajustar las máquinas CNC y para operar las herramientas CAD que comenzaron a aparecer en las oficinas técnicas. Ningún ingeniero pisó los talleres donde las complicaciones Huygensianas se ensamblaban discretamente. Es por eso que, incluso hoy en día, los fundamentos teóricos de la relojería mecánica nunca se han explorado por completo.

Once tipos de conexión mecánica

La teoría del diseño de mecanismos, una rama de la física, ha identificado once tipos de conexiones que, en combinación, pueden lograr todo. Para llegar a esta conclusión, los teóricos tenían que entender y domar las complejas interacciones entre rigidez, peso, dimensiones y materiales.

Cuando llegó por primera vez a la industria relojera en TAG Heuer, Guy Sémon, un antiguo consultor aeroespacial y profesor de física teórica (ver recuadro), comenzó mirando el reloj desde un punto de vista puramente matemático. Primero, trató de llevar el regulador Huygens a su máxima expresión. En 2011 presentó el Mikrograph Heuer Carrera, capaz de mostrar el tiempo en centésimas de segundo gracias a dos escapes separados, que vibran a 28.800 vph (para la hora, minutos y segundos) y 360.000 vph (50 Hz) para el cronógrafo de centésimas.

Más tarde, ese mismo año, tomó el concepto de cadena dual aún más, e introdujo el Mikrotimer Flying 1000, que vibraba a 500 Hz, lo que representaba la frecuencia estratosférica de 3.6 millones de vph. ¡En este nivel, el reloj pudo calcular y mostrar el tiempo en una milésima de segundo! Pero a esta nueva frecuencia de 500 Hz, que le requiere a la aguja de los segundos realizar 10 rotaciones completas cada segundo, la relojería Huygensiana comienza a alcanzar sus límites. El escape ya no necesita una rueda de volante porque, a estas altas velocidades, el muelle debería ser tan rígido (requiriendo solo cuatro bobinas, es decir, diez veces más rígido que un muelle normal), que el volante ya no es necesario para el retorno.

Pero con este movimiento sin volante, alcanzamos los límites físicos: la palanca comienza a tener problemas para mantenerse, el órgano regulador se ahoga, la transmisión entre el cañón y la rueda de escape se desincroniza, y ya no hay suficiente energía para alimentar cada impulso . El resultado es un desequilibrio en la dinámica y la energía. Para Guy Sémon, este punto muerto fue el punto de partida para su explotación de nuevas tecnologías de regulación mecánica.

Un desvío hacia el magnetismo y el «haz vibrante»

Sobre la base de su dominio de la teoría científica arcana, comenzó a explorar conexiones nuevas, poco ortodoxas (para la relojería) entre la energía y cómo está regulada. Su primera aventura fuera de la galaxia Huygens fue el Concept Watch Pendulum. La rueda de escape y la palanca todavía están allí, pero el corazón del sistema, el muelle del volante, se reemplaza por un estator magnético y un rotor. El dispositivo consiste en cuatro imanes. Dos de estos imanes (uno positivo y otro negativo - magnetizados en una sola dirección) se colocan cara a cara alrededor de la circunferencia y se mantienen en su lugar mediante un soporte fijo de hierro dulce que forma una especie de jaula de Faraday.

El escape ya no necesita una rueda de volante porque, a estas altas velocidades, el muelle debería ser tan rígido (requiriendo solo cuatro bobinas, es decir, diez veces más rígido que un muelle normal), que el volante ya no es necesario para el retorno.

En el centro, en el mismo eje que la rueda del volante y sostenido por un puente tradicional, dos imanes están dispuestos en un móvil giratorio y alternan sus polos positivo y negativo, lo que crea un campo magnético alternativamente a cada lado del dispositivo . Este sistema logra niveles de rendimiento comparables con los de un muelle de volante, pero no cumple con los requisitos de sensibilidad a la temperatura COSC. Fue un experimento interesante, pero difícil de implementar a escala industrial.

Concept Watch Pendulum
Concept Watch Pendulum

Guy Sémon y los equipos científicos multidisciplinarios con los que se rodeó a sí mismo dirigieron su atención a una avenida mecánica diferente, que aún no había sido explorada en la relojería.

El principio en el que se inspiraron, la teoría de «cuerdas vibrantes» o rayos, fue descubierto por el matemático francés d’Alembert unos años antes que Huygens. Esencialmente, en lugar de la oscilación de un muelle de volante concéntrico tradicional, este principio implica inducir la vibración en una cuchilla delgada a una frecuencia muy alta. En teoría, la «cuerda de vibración perfecta» propuesta por d’Alembert, con flexibilidad infinita, tensión constante, elasticidad perfecta e insensibilidad a la gravedad, transmite una onda uniformemente en toda su longitud. Por lo tanto, la onda tiene una oscilación isócrona.

Es un ejercicio impresionante, pero dado que este «rayo» solo puede oscilar a frecuencias muy altas, sus aplicaciones industriales y comerciales son limitadas.

El desafío fue encontrar la aproximación práctica más cercana a esta ola perfecta teórica. El principio establecido por Guy Sémon y su equipo fue conceptualmente simple, combinando tres «rayos vibratorios». Un rayo excitador unido a la palanca y un oscilador que consiste en una «viga» delgada están unidos por un «acoplador» que también es un «rayo». Al excitar el oscilador para que se acerque lo más posible a la «onda perfecta» de la teoría, comienza a vibrar a frecuencias perfectamente definidas. Puede ajustarse usando un excéntrico que alarga o acorta el rayo vibrante, un poco como afinar una guitarra. Este nuevo tipo de oscilador «no Huygensiano» es lineal, como una cuerda.

Hay muy poca inercia y prácticamente ninguna amplitud (vibra muy rápido, pero las oscilaciones son muy bajas), lo que significa que el sistema consume menos energía que un volante de muelle, otro beneficio de las altas frecuencias, ya que la reserva de energía puede ser mucho mayor. Regulado de esta forma, el reloj concepto TAG Heuer Mikrogirder «vibra» a la alucinante frecuencia de 7.200.000 vph, o 1.000Hz, lo que le da la capacidad de medir 1/2000 de segundo (TAG Heuer prefiere hablar de 5/10.000ths). Gracias al sistema de doble escape, la cadena Huygensiana «normal» para las indicaciones de tiempo y la cadena «vibratoria» para el cronógrafo en 1/1000 no se afectan entre sí.

Es un ejercicio impresionante, pero dado que este «rayo» solo puede oscilar a frecuencias muy altas, sus aplicaciones industriales y comerciales son limitadas. (Para obtener más información, lea nuestro artículo de 2013, «TAG Heuer: ondas y magnetismo al servicio de la regulación», disponible en europastar.com)

TAG Heuer Mikrogirder
TAG Heuer Mikrogirder

En busca de un nuevo regulador «universal»

Guy Sémon fue nombrado CEO de TAG Heuer a fines de 2014. Decidió renovar su búsqueda de un nuevo tipo de regulador «universal», como el principio de Huygens pero mucho más preciso. Había estado pensando en ello por algún tiempo, pero para tener éxito, tenía que reunir varios universos diferentes: el campo de mecanismos obedientes, que había surgido en la década de 1990, junto con la física teórica y la ciencia de los materiales.

Este nuevo tipo de oscilador requiere un material que sea insensible tanto al magnetismo como a la temperatura, al tiempo que sea altamente flexible.

La nueva teoría de mecanismos compatibles se basa en nuevas premisas y crea nuevas conexiones basadas no en la interacción entre componentes separados, sino en la deformación de sus materiales. Este concepto de cumplimiento es particularmente relevante para la robótica, donde se utiliza para realizar tareas que requieren sutiles aplicaciones de fuerza, actuando sobre la «rigidez» y transformándose en «flexibilidad». Esto incluye, por ejemplo, tareas tales como agarrar objetos frágiles o altamente deformables, ensamblar componentes ajustados herméticamente o desbarbar. En el caso de los relojes, esta nueva teoría proporciona un medio para reemplazar un elemento formado por varias partes fijas o móviles (un oscilador, por ejemplo) con una estructura «compatible» de una sola pieza.

La física teórica viene al rescate con los fundamentos teóricos de este nuevo tipo de oscilador, llamado «oscilador paramétrico», que se utiliza en óptica física y para resonadores en instrumentos láser. Como admite Guy Sémon, este campo teórico es «extremadamente moderno y muy complejo». El tercer campo de exploración es la ciencia de los materiales.

Este nuevo tipo de oscilador requiere un material que sea insensible tanto al magnetismo como a la temperatura, al tiempo que sea altamente flexible. Estos requisitos descartan todos los metales conocidos. Después de dibujar un espacio en blanco en la Universidad de Delft en los Países Bajos, que está a la vanguardia de esta nueva teoría mecánica, Guy Sémon amplió su búsqueda a la Universidad de Arizona en Albuquerque. Sin suerte. Luego fue a la Universidad de Utah, que tiene un gran interés en la nanotecnología. Allí, Guy Sémon dice que tuvo «suerte» y encontró un material nanoestructurado que era muy flexible. Este material le permitiría crear muelles de volante a partir de nanotubos de carbono, que se usarían en el El Primero 21 presentado por Zenith en Basilea este año (ver el capítulo Europa Star 3/17), pero no llegaría al Laboratorio Defy.

MUELLES DE VOLANTE DE NANOTUBOS DE CARBONO

INDEPENDENCIA ESTRATÉGICA
La historia de cómo el equipo de Guy Sémon llegó a hacer muelles de volante en nanotubos de carbono es toda una saga en sí misma. Tuvieron que diseñar desde cero y construir una máquina enorme y extraordinaria para producirlos en cantidades industriales, como resultado de lo cual ahora pueden fabricar 500 muelles de volante cada 50 minutos.
Una capa de óxido de aluminio se deposita sobre una oblea de silicio, sobre la cual los 500 muelles de volante se graban con átomos de hierro. La oblea se coloca dentro de un reactor químico bajo vacío, y se introducen hidrógeno y etileno. Los átomos de carbono reaccionan con el hierro y comienzan a crecer («un poco como espigas de trigo», explica Guy Sémon) y se transforman en un tipo de grafeno. Cada «oreja» es un nanotubo (que mide 10 nanómetros). Tomado individualmente, cada uno de estos nanotubos es infinitamente elástico. Los átomos de carbono se intercalan entre estos «brotes», «un poco como el concreto entre las varillas corrugadas». La oblea se coloca en una cámara de plasma de oxígeno, después de lo cual se pueden liberar los muelles de volante de nanotubos de carbono. «Esta es la primera vez que se fabrica un componente tridimensional a partir de nanotubos de carbono», señala Guy Sémon.
Además de las implicaciones tecnológicas, este nuevo procedimiento eventualmente hará que el grupo LVMH sea autónomo en el dominio estratégico de los muelles de volante.

La relojería mecánica deja atrás a Huygens

Esta experiencia con los nanotubos de carbono contribuyó indirectamente al desarrollo de Guy Sémon del nuevo oscilador. Al combinar los dos primeros ingredientes -física teórica y sus osciladores «paramétricos», con la teoría del cumplimiento mecánico- para optimizar la forma del oscilador, y mediante el uso de silicio, que puede grabarse químicamente (como hemos visto con los microprocesadores durante años), Guy Sémon y su equipo podrían pasar a definir y hacer su oscilador.

En física, un oscilador es un haz flexible con una rigidez dada. Para producir una oscilación, se introduce una masa. Para lograr la oscilación lineal, los diversos parámetros deben filtrarse. El producto final es un solo componente de silicio monocristalino que mide 0.5 mm de espesor (comparado con alrededor de 5 mm para un regulador estándar), en lugar de las 31 o más partes de un regulador Huygens, como se muestra en el siguiente diagrama.

El suministro de energía para este oscilador es un barril y tren de engranajes bastante clásico. Pero, una vez que la rueda de escape ha suministrado energía al oscilador, dejamos atrás la cadena de relojería tradicional. La rueda de escape entra en contacto con dos dientes pequeños (ver diagrama) que ponen en movimiento el oscilador monobloque y sus componentes.

La relojería mecánica deja atrás a Huygens

El oscilador comienza a latir - o respirar - con una amplitud muy pequeña de +/- 6° (en comparación con alrededor de 300°) a una frecuencia extraordinaria de 15 Hz, tres veces mayor que la de El Primero. Pero incluso con esta alta frecuencia, la reserva de energía es de alrededor de 60 horas, 10% más que en El Primero. (Guy Sémon no tiene intención de dejar las cosas allí, y apunta a reservas de energía de 100 horas, incluso hasta 150 horas).

El movimiento del Defy Lab
El movimiento del Defy Lab

Múltiples beneficios

Las ventajas de este revolucionario oscilador son múltiples. No hay necesidad de ensamblaje o ajuste. No más contacto y fricción significa que no necesita lubricación. No solo se reduce el consumo de energía, el dispositivo es en gran medida impermeable a variaciones de energía incidentales y cambios de posición. No solo es extraordinariamente preciso, varía alrededor de 0.3 segundos por día (el estándar COSC es de -4 a +6 segundos por día, o un máximo total de 10 segundos por día), sino que también mantiene el mismo grado de precisión durante el 95% de su reserva de energía.

Insensible a la gravedad, el magnetismo y la temperatura (gracias a una capa de óxido de silicio), este oscilador de doble patente también está triplemente certificado: para cronometría por el Observatorio de Besançon; para la resistencia térmica por ISO-3159, que excede cómodamente; y para el magnetismo por ISO-764, que excede en 18 veces, dado que puede soportar 1.100 Gauss.

Zenith fue elegido para el debut público del «oscilador de Sémon» en un reloj llamado Zenith Defy Lab. «Defy» fue el nombre de una caja de la década de 1960, que ha sido completamente renovada para la ocasión. Más allá de su apariencia de debut, el oscilador está destinado a equipar la mayoría de los relojes producidos por LVMH o, como mínimo, las marcas más «relojeras» del grupo: Hublot, TAG Heuer y Zenith. La operación se parece al enfoque de Omega al escape coaxial desarrollado por George Daniels. Pero, estratégicamente, esta operación es aún más importante para LVMH, ya que ayudará al grupo a alcanzar una mayor autonomía. Combinado con su autosuficiencia en el desarrollo del muelle de volante gracias a los nanotubos de carbono (ver recuadro), asegurará que el grupo esté aislado de cualquier dependencia estratégica. Guy Sémon y sus equipos científicos ahora han sido promovidos para dirigir un importante centro de investigación. Pero esa es una historia diferente (una que podrá leer muy pronto).

EL ZENITH DEFY LAB Y SU CAJA ULTRA-LIGERA

Como si esta importante innovación técnica no fuera suficiente, Zenith, bajo la iniciativa de Jean-Claude Biver, decidió sacar el nuevo oscilador en un embalaje igualmente revolucionario: una caja de 44 mm hecha de Aeronith, el compuesto de aluminio más ligero del mundo. Esta «espuma metálica de poro abierto, endurecida con un polímero especial ultraligero, resistente a los rayos UV» es 1,7 veces más ligera que el aluminio y un 10% más ligera que la fibra de carbono. Fue desarrollada originalmente por el departamento de I+D de Hublot. A primera vista (y en nuestra humilde opinión), la decisión de duplicar los desarrollos innovadores quizás no sea la mejor estrategia, ya que diluye el impacto del nuevo oscilador revolucionario, que está destinado a marcar el comienzo de una nueva era para el desarrollo mecánico. relojería.

GUY SÉMON
DIRECTOR GENERAL, TAG HEUER
Nació en 1963, en el departamento administrativo Francés de Doubs, a pocos kilómetros de la frontera con Suiza. Es descendiente de una familia muy antigua que se sabe que vivió en el mismo lugar desde el siglo XII. Después de completar su educación técnica superior, se unió a la Marina Francesa, donde se entrenó como piloto de jet. Luego dejó la marina para trabajar para el Ministerio de Investigación Francés como profesor e investigador en la Universidad de Franche-Comté. Completó un doctorado en física e ingeniería. A partir de 1992, publicó los resultados de su trabajo matemático sobre la aplicación de cálculo formal a la mecánica de fluidos (modelado de atractores extraños y teoría de la bifurcación) y a la óptica (visualización del flujo láser mediante dispersión de luz mediante partículas pequeñas) principalmente en Japón y EE. UU. . La Universidad de Franche-Comté le dio la tarea de establecer y administrar un nuevo Laboratorio de Física de la Energía. Se especializó principalmente en álgebra lineal y topología diferencial. Muchos de los inventos relojeros por venir se inspiraron en este período de intensa investigación...
En julio de 1994, dejó la vida institucional para comenzar una carrera independiente y se unió a Technicréa, una práctica de diseño de ingeniería privada (150 altos ingenieros) de la que fue Director Científico y Subdirector Gerente. Trabajó en los siguientes proyectos: ITER (Tokomak), LHV (CERN Ginebra), un tren de alta velocidad de nueva generación - TGV (Alstom), la turbina de gas 9000F (General Electric), la fragata Lafayette (DGA) y un vehículo blindado híbrido.
En agosto de 1995, creó su propia empresa, empleando a 5 ingenieros altamente calificados y especializados en simulación de vuelo y vehículos UAV. En 1996, los principales socios y contratistas de la compañía fueron Dassault electronics y Aerospatiale (EADS). Pero fue Lockheed-Martin SSI (EE. UU.) Quien hizo de lejos la mayor contribución a la compañía de Guy Sémon. La empresa ganó los dos mayores contratos de simulación (para helicópteros de combate y aviones de prueba) convocados por la fuerza aérea Francesa. Ese mismo año, a pedido del gobierno Francés, la compañía se hizo cargo de Telmat, un grupo (de 250 ingenieros) especializado en computadoras masivamente paralelas y sistemas de telecomunicaciones de muy alta velocidad. El grupo se dividió en unidades separadas y se desarrolló más en los EE. UU. (Redes de alta velocidad e interoperabilidad de la información, simuladores militares y computadoras masivamente paralelas).
A principios de 1999, Guy Sémon comenzó a trabajar como experto independiente con algunos de los mayores actores en la industria aeronáutica y aeroespacial. En ese momento, estaba explorando nuevos campos tecnológicos, especialmente nuevos materiales.
Por casualidad, en Suiza, en 2004, Guy Sémon se encontró con la empresa TAG Heuer, que estaba interesada en fabricar los cinturones más pequeños del mundo (!). Este fue el comienzo de una cooperación intensiva y fructífera que condujo a la producción del reloj Monaco V4, y más en general al establecimiento del Centro de I+D TAG Heuer que Guy Sémon ha dirigido desde enero de 2008.

Fotografía: Fabien Scotti | Arcade Europa Star