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Instant-Lab (EPFL): Rompiendo la barrera del segundo

INNOVACIÓN

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octubre 2020


Instant-Lab (EPFL): Rompiendo la barrera del segundo

A veces se dice que, en lo que respecta a los movimientos mecánicos de reloj, ya se ha logrado todo, o casi todo. Entonces, ¿la relojería mecánica está tallada en piedra? Nada podría estar más lejos de la verdad. La relojería mecánica todavía nos depara muchas sorpresas, como lo demostró el Dr. Ilan Vardi, científico senior de la Cátedra EPFL Patek Philippe en Diseño Micromecánico y Relojero, conocida más simplemente como: “Instant-Lab”.

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nstant-Lab: un nombre adecuado para este laboratorio de una veintena de personas que, bajo la supervisión del Profesor Simon Henein, se especializa en la creación de nuevos mecanismos con innovaciones cinéticas y tecnológicas a escala centimétrica. El enfoque que aplican es estrictamente científico y está inspirado en el diseño mecánico en campos como la relojería, los instrumentos médicos y la robótica.

Los proyectos actuales de Instant-Lab involucran la relojería mecánica y los instrumentos biomédicos, campos relacionados por su tecnología y su estructura industrial (recordemos a los proveedores de piezas de relojería que trabajan en Med-Tech, como queda perfectamente reflejado en la EPHJ).

Nacido en París, Ilan Vardi es un matemático con una licenciatura de la Universidad McGill, Montreal, Canadá y un doctorado del MIT en los USA. Ha publicado numerosos artículos de investigación en matemáticas, informática, física e historia de la ciencia. En los últimos 10 años se ha especializado en relojería, produciendo publicaciones técnicas y patentes sobre osciladores, escapes y complicaciones. Ha sido científico sénior en EPFL Instant-Lab, Neuchâtel, desde 2013.
Nacido en París, Ilan Vardi es un matemático con una licenciatura de la Universidad McGill, Montreal, Canadá y un doctorado del MIT en los USA. Ha publicado numerosos artículos de investigación en matemáticas, informática, física e historia de la ciencia. En los últimos 10 años se ha especializado en relojería, produciendo publicaciones técnicas y patentes sobre osciladores, escapes y complicaciones. Ha sido científico sénior en EPFL Instant-Lab, Neuchâtel, desde 2013.

Pero más allá de su misión puramente académica, el laboratorio también tiene como objetivo establecer vínculos con la cultura relojera Suiza y da la bienvenida a la colaboración industrial con todas las empresas relojeras Suizas, según lo declarado por Instant-Lab. Este es un punto importante, ya que, si bien Patek Philippe es el patrocinador principal de la Cátedra que lleva su nombre, la investigación multidisciplinar llevada a cabo allí sirve a toda la comunidad relojera Suiza.

Atravesando la barrera del segundo

El Dr. Ilan Vardi está realizando una investigación avanzada en base al tiempo del reloj. Su objetivo, en pocas palabras, es “atravesar la barrera del segundo” del reloj mecánico, es decir, llevar su precisión a un segundo al día. Ciertamente, un desafío difícil.

Para lograr esto, explica, debe reemplazar el volante de espiral por un oscilador que tenga un factor de calidad significativamente más alto. Pero, ¿qué es exactamente el “factor de calidad”, introducido en la relojería hace cuarenta años por el ingeniero Británico Douglas Bateman?

EVOLUCIÓN DEL FACTOR DE CALIDAD Q, DESDE EL VOLANTE DE UN ESCAPE DE PALETAS AL RELOJ ATÓMICO
EVOLUCIÓN DEL FACTOR DE CALIDAD Q, DESDE EL VOLANTE DE UN ESCAPE DE PALETAS AL RELOJ ATÓMICO
El factor de calidad cuantifica la energía perdida por el oscilador en cada oscilación. La causa principal es la fricción. En un sistema de volante de espiral, este factor de calidad es en el mejor de los casos de 300. Debe ser diez veces mejor para romper la “barrera del segundo”.

El factor de calidad cuantifica la energía perdida por el oscilador en cada oscilación. La causa principal es la fricción. Este factor de calidad viene dado por el número de oscilaciones realizadas por un oscilador “en modo libre” antes de que su amplitud caiga a sólo el 4,3 por ciento de su amplitud original. En un sistema de volante de espiral, este factor de calidad es en el mejor de los casos de 300. Tiene que ser diez veces mejor para romper la “barrera del segundo”.

En comparación, el factor de calidad de un movimiento de cuarzo estándar es de alrededor de 100.000, o incluso un millón para los relojes de cuarzo más sofisticados, como el Calibre 0100 de Citizen, que tiene una precisión de un segundo al año. Entonces, ¿el reloj mecánico está condenado a quedarse para siempre detrás de esta barrera del segundo?

¿Incrementando la frecuencia?

La respuesta estándar es aumentar la frecuencia, porque la experiencia ha demostrado que un reloj que funciona a 5Hz suele ser más preciso que un reloj a 4Hz. Pero elevar la frecuencia tiene sus límites debido a la fricción inherente al sistema mecánico del volante de espiral, cuyo pivote gira, con una fricción significativa, sobre una joya - un rubí.

El aumento de la frecuencia mejora indiscutiblemente la precisión, como lo demuestra el diapasón acústico de 360Hz, producido por primera vez en el Bulova Accutron de 1960, el reloj de cuarzo, inventado en Neuchâtel en 1967, que funciona a 8.192Hz, lo que le permitió superar un segundo por día, o los 8.388.608Hz del reloj Citizen - 1s/año - sin mencionar el reloj atómico de cesio que, con una frecuencia de 9.192.631.770Hz (¡que, de hecho, define el segundo!), alcanza una precisión de 1s/100.000 años. Sin embargo, la frecuencia no es la única respuesta.

La importancia de la Q

Volvamos al factor de calidad, o Q para abreviar. Recuerde que Q esencialmente representa el número de oscilaciones libres antes de que el oscilador se detenga. Para los relojes de pulsera, el promedio es de 200. Pero un volante de espiral de un cronómetro marino, que late a la misma frecuencia estándar de 4Hz, es más pesado y, por lo tanto, un factor Q del orden de 1.000. Es diez veces más preciso, alcanzando 1 s/semana. Tenga en cuenta que, a diferencia de los relojes de pulsera, los movimientos de un cronómetro marino permanecen horizontales ya que están montados en cardanes.

Otro ejemplo que corrobora la importancia de la Q es el reloj de péndulo. El mejor de ellos, el reloj Shortt que data de 1921, alcanza la misma precisión de 1s/año que el Citizen Calibre 0100. Y, sin embargo, su frecuencia es de solo 0,5Hz, en comparación con los 8 millones de Hz del reloj Citizen. La clave es que su factor Q es muy alto, superando los 100.000.

El reloj Shortt, del que se produjeron alrededor de un centenar de ejemplares entre 1922 y 1956, mantiene el tiempo mediante dos osciladores, un péndulo maestro encapsulado al vacío y un péndulo esclavo en un reloj separado, que se sincronizan mediante un mecanismo electromagnético. El péndulo esclavo está unido a los mecanismos de cronometraje del reloj, lo que deja al péndulo maestro prácticamente libre de perturbaciones externas. Esta copia fue vendida por la casa de subastas especializada Gardiner Houlgate por 25.000 libras.
El reloj Shortt, del que se produjeron alrededor de un centenar de ejemplares entre 1922 y 1956, mantiene el tiempo mediante dos osciladores, un péndulo maestro encapsulado al vacío y un péndulo esclavo en un reloj separado, que se sincronizan mediante un mecanismo electromagnético. El péndulo esclavo está unido a los mecanismos de cronometraje del reloj, lo que deja al péndulo maestro prácticamente libre de perturbaciones externas. Esta copia fue vendida por la casa de subastas especializada Gardiner Houlgate por 25.000 libras.

El significado del factor Q fue declarado esencialmente por John Harrison, inventor del primer cronómetro marino hace 250 años: “El péndulo debe tener dominio sobre el mecanismo de relojería”. Lo que quiso decir fue que cualquier perturbación en el oscilador conduce a errores de cronometraje, por lo que las perturbaciones como los impulsos de un escape deben minimizarse.

“Cuanto mayor sea el factor de calidad, más podremos reducir los impulsos necesarios para mantener el oscilador. Por ejemplo, los relojes mecánicos proporcionan un impulso al volante en cada latido, mientras que los cronómetros marinos lo hacen solo en latidos alternos y el reloj Shortt solo una vez cada treinta latidos”, explica Ilan Vardi.

El proyecto IsoSpring

En Instant-Lab, la convergencia del matemático Ilan Vardi y el ingeniero Simon Henein condujo al proyecto IsoSpring. El objeto de este programa es “resolver el problema de encontrar el mejor escape eliminándolo por completo”. El proyecto comienza volviendo a Isaac Newton, quien en 1687 imaginó un hipotético sistema planetario en el que todos los planetas giraban en órbitas elípticas, pero donde los años eran iguales para todos los planetas.

El logro de Instant-Lab fue darse cuenta de esto mecánicamente, lo que llevó a que los osciladores tuvieran isocronismo, la clave para un cronometraje preciso, pero reemplazando las oscilaciones intermitentes de osciladores anteriores con órbitas unidireccionales continuas. “Regresamos al siglo XVII cuando se inventaron por primera vez los relojes y los osciladores de relojes y encontramos uno que desarrollamos con tecnología de ingeniería moderna”, agrega Ilan Vardi.

El primer prototipo de IsoSpring, mostrado públicamente en Febrero de 2014
El primer prototipo de IsoSpring, mostrado públicamente en Febrero de 2014

La clave a la Q

Como explicó el Dr. Ilan Vardi en un artículo de 2014: “El factor de calidad del oscilador está científicamente reconocido como el mejor indicador de la precisión del cronometrador. Es por eso que la carrera actual por la alta frecuencia debería ser una carrera por la alta calidad”.

Entonces, ¿cuáles son las claves para elevar el factor de calidad? “Tiene que minimizar la fricción entre los sólidos: quitar los pivotes aumenta la Q en un factor de 10. Luego minimiza la fricción interna: reemplazando el metal con silicio aumenta la Q en otro factor de 10. Por último, minimiza la fricción del aire: sellando el oscilador al vacío aumenta la Q en otro factor de de 10”, explica el Dr. Vardi.

Cojinetes de flexión

Los cojinetes de flexión, también conocidos como mecanismos compatibles, utilizan resortes para proporcionar movimiento de rotación, en lugar del pivote tradicional. Dado que se elimina la fricción sólida, esto mejora significativamente el factor Q. Estos se usaron en osciladores IsoSpring, por lo que en combinación con una construcción monobloque de silicio, el factor Q se aumentó a un factor de 3.000.

Las órbitas elípticas unidireccionales de los osciladores significaron que el mecanismo de escape tradicional podría ser reemplazado por una simple manivela. El resultado fue un oscilador revolucionario con un rendimiento cronométrico prometedor. Se diseñaron varios prototipos durante estos cinco años de desarrollo. Queda un problema: la sensibilidad a la gravedad.

IsoSpring esférico
IsoSpring esférico

En diciembre de 2016, se presentó el primer reloj IsoSpring en el Ayuntamiento de Neuchâtel. Su revolucionario oscilador es la base de tiempo para un reloj mecánico impulsado por un peso impulsor. Su caja está inspirada en el reloj tradicional de Neuchâteloise. Altamente simbólico. “Porque la invención en la relojería tiene que ser revolucionaria y tradicional”, explica Ilan Vardi, saboreando sus palabras. “Eso resume al IsoSpring. Es totalmente innovador, pero tiene una rica historia científica y técnica”.
En diciembre de 2016, se presentó el primer reloj IsoSpring en el Ayuntamiento de Neuchâtel. Su revolucionario oscilador es la base de tiempo para un reloj mecánico impulsado por un peso impulsor. Su caja está inspirada en el reloj tradicional de Neuchâteloise. Altamente simbólico. “Porque la invención en la relojería tiene que ser revolucionaria y tradicional”, explica Ilan Vardi, saboreando sus palabras. “Eso resume al IsoSpring. Es totalmente innovador, pero tiene una rica historia científica y técnica”.

Escapar dee la gravedad en un reloj de pulsera

El desafío ahora es miniaturizar el sistema a la escala de un reloj de pulsera. Pero como los primeros osciladores IsoSpring eran sensibles a la gravedad, era imposible implementarlos en un reloj de pulsera. Para obtener un oscilador insensible a la gravedad, Instant-Lab desarrolló un nuevo mecanismo patentado al que llamaron oscilador Wattwins, una referencia a su inspiración histórica: el ’enlace de Watt’, también conocido como enlace paralelo, inventado por James Watt en 1784 para obtener un movimiento en línea recta para los pistones de las máquinas de vapor.

De manera similar, el oscilador Wattwins consta de cuatro osciladores con cojinetes de flexión cuyas rotaciones se convierten en movimiento lineal de acuerdo con el diseño de Watt. Por lo tanto, el oscilador Wattwins es insensible a la aceleración lineal, que es crucial en un reloj de pulsera, así como a la aceleración angular, que no es el caso de los relojes mecánicos. Se desarrollaron prototipos a escala de reloj para demostrar la insensibilidad a la gravedad de estos osciladores IsoSpring.

Oscilador Wattwins en silicio, a la escala de un reloj de pulsera
Oscilador Wattwins en silicio, a la escala de un reloj de pulsera

El escenario ahora está listo para desarrollar un reloj de pulsera mecánico capaz de “romper la barrera del segundo”. Pero, como señala Ilan Vardi: “Nuestro laboratorio no está involucrado en la fase industrial. Dejamos esa parte a los fabricantes, que tienen muchos más recursos y conocimientos técnicos en ese campo. También dejamos que las empresas solucionen los detalles del perfeccionamiento de nuestros prototipos”.

¿Es este el camino real para restaurar el antiguo reloj mecánico a su antigua gloria? La respuesta dependerá del éxito de esta línea de investigación.

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