Conjunto volante-espiral

Una de las piezas más fácilmente reconocibles en un reloj mecánico es, sin duda, el conjunto volante-espiral. Muchas veces identificada como la rueda que no para de oscilar, el volante esconde, enrollado sobre su eje, a su perfecto complemento, el espiral.

Detalle volante-espiral con regulador por raqueta de A.Lange&Söhne

Este conjunto nació cuando Huygens invento el resorte espiral en 1674. Hasta ese momento los sistemas utilizados para regular un reloj se basaban en dos sistemas diferentes: el ‘foliot’ y el volante anular. Los dos realizaban su función reteniendo la energía del escape gracias a la inercia que provenía de su propia masa. Modificando esta masa se podía regular la marcha del reloj hasta conseguir que esta fuera más o menos regular. Concretamente sobre el ‘foliot’, aunque aparece a comienzos del siglo XIV, se desconoce totalmente su puesta a punto. Solo se ha podido constatar que el físico y astrónomo italiano Giovanni Dondi, alrededor de 1344, construyó un reloj de pesas con este escape, para la ciudad de Padua. Conocido como el primero órgano regulador para relojes mecánicos el ‘foliot’ estaba compuesto por una barra de hierro horizontal provista de dos masas ajustables llamadas ‘reguladores’ y unida al eje del escape. Esta platina de hierro era lanzada a derecha e izquierda por una rueda, la rueda de encuentro (obligada a girar gracias a un peso que colgaba sobre su eje) que actuaba sobre dos paletas colocados en el eje del sistema. Este conjunto se conocía como ‘a roue de rencontre/rueda de encuentro’ o ‘à verge’ y se convirtió en el primer escape de la historia de la relojería.

El problema era que estos reguladores primitivos resultaban muy sensibles a las influencias exteriores como la intensidad de la energía, el desgaste, los choques, la calidad del aceite, etc. Precisaban de un mantenimiento constante para recargar las pesas, cambiar el aceite e incluso calentarlo en invierno y ponerlo en hora con la ayuda de clepsidras(1)  o de relojes de sol.

(1) Clepsidra: del griego kleptein, ‘robar’, e hydro, ‘agua), era un antiguo instrumento para medir el paso del tiempo a partir del flujo de agua a través de un pequeño orificio. Un tipo de clepsidra, precursor de los relojes modernos, tenía una rueda conectada a un flotador y a medida que cambiaba el nivel de éste la rueda giraba e indicaba la hora. De posible origen egipcio este instrumento se utilizaba también en Grecia y en Roma en la antigüedad.

Los relojes necesitaban de otro tipo de regulador, mas fiable y preciso. La solución llegaría por dos caminos muy diferentes. Por un lado, como hemos dicho antes, con el descubrimiento del espiral y por otro de la aplicación del péndulo (y del fenómeno del isocronismo descubierto por Galileo Galilei) para la medición temporal. Aunque fue Galileo el primero en imaginar y diseñar un reloj de péndulo, el merito de la realización técnica es también de Huygens quien mando construir al relojero de La Haya, Salomon Coster, en 1657, el primer reloj con volante pendular.

La mejora de la marcha obtenida con el nuevo sistema de regulación pendular era muy considerable: el reloj solo se desajustaba entre diez y quince segundos al día.

Por otro lado, si se utiliza el término espiral es porque el resorte utilizado para los relojes generalmente esta arrollado alrededor del eje del volante en forma de espiral, aunque también puede estarlo en forma helicoidal (como un muelle). A lo largo de la historia se han realizado diferentes tipos de resorte desde los primeros espirales de Huygens y Hooke, pasando por el resorte cilíndrico de John Harrison (sobre 1763), la espiral con curva terminal de Breguet, la espiral cónica de Louis Berthoud (1793), la espiral esférica inventada por el relojero suizo Jacques-Frédéric Houriet (1743-1830), etc.

Pero, como decíamos mas arriba, a partir de finales del siglo XVII, gracias al descubrimiento del espiral las cosas iban a cambiar radicalmente. Los órganos reguladores de los relojes (escapes) incorporarían un nuevo conjunto: el volante-espiral.

Las ventajas del espiral eran evidentes: proporcionaba una mayor estabilidad y la posibilidad de un nuevo ajuste modificando su longitud. Ahora el principal problema del conjunto era la influencia que ejercían los cambios de temperatura sobre éste.

Como todos sabemos los metales se expanden con el calor y se contraen al enfriarse. De entre las propiedades físicas de todos los materiales disponemos de un parámetro, muy importante en nuestro caso, el coeficiente de dilatación lineal. Este mide el cambio sufrido por una barra del material en cuestión por cada variación gradual de temperatura. Nada mejor que un ejemplo para comprender su influencia: una viga de acero de 10m de longitud calentada 20º Celsius, se dilata 2,4mm. Esta proporción (12 millonésimas partes por cada grado Celsius) hay que trasladarla a nuestro caso para unas dimensiones de un volante que en el siglo XVIII podía medir mas de 30mm pero que ahora no sobrepasan los 10mm.

Ya que según las primeras investigaciones era muy difícil en la época encontrar un metal inerte a los cambios de temperatura, la solución parecía encaminada a encontrar una forma de compensar este comportamiento físico de los materiales empleados.

Una disminución de la temperatura provoca sobre el conjunto una disminución del periodo (el ángulo de giro del volante) y por tanto su avance. Con el calor se provoca el efecto contrario, su retraso. Para poder modificar el periodo tenemos tres posibilidades:

  • variar la longitud del espiral,
  • modificar la masa del volante,
  • o alterar el radio de giro del volante. 

La primera de las soluciones (actuar sobre la longitud del espiral) fue muy utilizada por su inventor, John Harrison, en sus famosos cronómetros de marina; después Berthoud, Thomas Mudge, e incluso A.L. Breguet. El sistema consistía en la colocación de una lámina bi-metálica, de latón y acero soldados. Una de las extremidades estaba fijada sobre la platina del reloj y la otra extremidad libre estaba fijada al extremo del espiral cerca del pitón (que actúa de pasador para la espiral). La lámina se curvaba en función de los cambios de temperatura haciendo que el espiral aumentara o disminuyera su longitud activa.

Según nos describe el maestro relojero Georges Daniels en su fenomenal libro ‘La montre: principes et méthodes de fabrication’ el principal problema de este sistema era su complejo ajuste ya que cuando el relojero conseguía regular el isocronismo en función del error del escape, acto seguido lo ‘estropeaba’ ajustando la longitud de la espiral. Y todo ello conseguido a través de los innumerables ensayos realizados sin disponer, en la época, de una base científica. En efecto, este sistema destruye el isocronismo del conjunto cada vez que, por efecto de los cambios de temperatura se ve afectada la longitud del espiral.

Debemos señalar que el gran maestro John Harrison aplicó en sus cronómetros este principio, no sin grandes dificultades, comprendiendo y empleando para su provecho una característica muy importante del espiral: su punto de ataque, logrando una precisión sin precedente hasta el momento. Este punto de ataque determina la diferencia angular entre el punto de partida del espiral y el de su fijación al volante. Harrison obtuvo el celebre premio del ‘Decreto de la Longitud’ de 1714 con su magnifico cronómetro H.4. Con este precioso instrumento Harrison demostró ser el primero en comprender y utilizar las ventajas del control del punto de ataque del espiral para establecer la regularidad de marcha del volante. Habría que esperar hasta mediados del siglo XIX para que el ingeniero de minas francés Edouard Phillips (1821-1882), en su obra ‘Mémoire sur le spiral réglant des cronometres’ editada en 1861, explicara matemáticamente las condiciones que debe reunir el sistema oscilante para obtener el isocronismo de las oscilaciones. Su ‘teoria del espiral regular’ establece la relación entre la duración de las oscilaciones, el momento de inercia del volante, la longitud y el momento elástico; esta relación permite por tanto calcular el coeficiente de elasticidad de cualquier material, siempre que se pueda estirar hasta convertirlo en un hilo y darle forma. 

Louis Lossier

Mas tarde, ya en 1890, Louis Lossier en su ‘Etude sur la théorie du réglage des montres’ acerca un poco mas las formulas matemáticas de Phillips a la relojería.

La segunda de las opciones era la de variar la masa del volante y, desde luego, esto no parece demasiado practicable por razones obvias.

 Solo nos queda ya la tercera de las opciones, que propone la modificación del radio de giro del volante. Al maestro francés, Pierre Leroy, no le gustaba el primer sistema propuesto y por ello buscó una solución para utilizar esta última opción actuando sobre el radio de giro del volante. Fue el primero en encontrar una solución al problema proponiendo un volante bi-metálico alrededor de 1766 pero no tuvo éxito porque la unión de los dos metales se realizó con remaches.

A partir de este punto fueron los maestros ingleses los que retoman estos conocimientos y realizan la unión de los metales por fusión. Las dos láminas bi-metálicas, con forma de semicircular, están fijadas por uno de sus extremos a un brazo transversal. Cada una de estas láminas afectadas por los cambios de temperatura se contraen hacia el interior con el calor y se alejan del eje del volante con el frío. La lamina interior y el brazo transversal son de de acero mientras que la cara exterior de la lamina es de latón. Sobre la lámina se colocaban diferentes tipos de pesos (en forma de tornillos o pequeños bloques cilíndricos asidos por medio de un tornillo).

Detalle volante bi-metalico
Detalle volante bi-metálico

Se le atribuye a John Arnold la primera aplicación del volante bi-metálico. Este sistema, capaz de separar la regulación de la compensación con la del espiral, fue utilizado para los relojes de gama alta desde 1782 hasta mediados del siglo XX. Aunque con multitud de evoluciones para perfeccionar su comportamiento el mejor de los volantes ‘cortados’ se denomino ‘Guillaume’, del nombre del inventor de la aleación de acero y níquel utilizada para su construcción. Charles-Edouard Guillaume (1821-1889), premio Nóbel de física en 1920 y director de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de Paris, descendiente de una familia de relojeros este físico suizo es conocido en el campo de la relojería por sus numerosos trabajos sobre las aleaciones de hierro y níquel. Una de ellas denominada, invar (‘invar-iable’), permanecía casi inalterable a las variaciones térmicas.

Este tipo de aleaciones perfeccionadas en la actualidad por diferentes fabricantes permiten crear volantes mono-metálicos de Nivarox, Isoval, etc.

Charles Edouard Guillaume (Premio Nobel de Física 1920)

A partir de 1912, Guillaume descubrió una nueva aleación con unas propiedades físicas que la hacían elásticamente invariable lo que permitía fabricar un espiral compensador que unido al volante mono-metálico se lograba un conjunto con una compensación completa y fiable.

Pero antes de llegar a estas aleaciones de Guillaume el espiral suscitó un gran número de estudios y experimentaciones desde sus primeras implementaciones halla por 1670. En la época el único sistema de escape que existía (el primero conocido) era el escape a rueda de encuentro al que se le añadió el espiral mejorando mucho su regularidad (desde los veinte minutos por día sin espiral hasta aproximadamente tres minutos con el espiral). Este primer espiral de acero solo disponía de entre una vuelta y media y dos vueltas completas y estaba fijado de un extremo al eje del volante y del otro a la platina del reloj. El periodo de oscilación del volante podía ser regulado a través de la raqueta. Esta consiste en una pieza de acero cuyo eje se ha fijado a la platina y que esta provista de dos brazos. En el corto se fija el extremo del espiral y el otro mucho mas largo dispone de una flecha que sobre una escala marca el desplazamiento deseado. Pero además de ajustar el punto de ataque del espiral gracias a la raqueta el espiral tenía otro problema. Como los espirales planos y cilíndricos están fijados por un lado al eje del volante y de otro a la platina del reloj cuando este se enrolla y desenrolla su centro de gravedad sufre un cierto desplazamiento que perturba su propio movimiento elástico. Esto produce perturbaciones sobre la regulación de la marcha del reloj.

Volante con doble espiral de H.Moser&Cie
Volante con doble espiral de H.Moser&Cie

Según el experto relojero Jean-Claude Nicolet en diferentes publicaciones afirma que el primer relojero en aportar una solución al problema fue el francés Gourdain a mediados del siglo XVIII. Construyó un espiral cilíndrico con una curva terminal cuya finalidad era la de tener en cuenta la posición relativa del punto de ataque del espiral en su estado de reposo. Se denominan ‘curva terminal’ a la forma que se le da a la parte del espiral que va  desde su punto mas excéntrico hasta los extremos espiral que son fijados al eje del volante y a la platina.

El maestro ingles John Arnold (1736-1799) construía sus espirales con forma helicoidal y quizás fue el primero en aplicar con éxito las curvas terminales. Sin una base matemática sobre el comportamiento elástico del espiral estos dos maestros y muchos otros diseñaron sus propias curvas terminales por el sistema de tanteo. Analizaban los resultados con diferentes curvas hasta conseguir el objetivo esperado.

Sin embargo fue A.L. Breguet uno de los que utilizó las curvas terminales transformando el espiral cilíndrico o helicoidal de Arnold en espiral plano, mucho mas compatible con las dimensiones contenidas de los relojes que el construía para la alta aristocracia europea. Lo más sorprendente es que Breguet consiguió un resultado excelente; sus curvas terminales parecían seguir las reglas matemáticas que Edouard Phillips publicó más de sesenta años mas tarde.

La espiral Breguet equipó todos los relojes de gama alta durante más de un siglo.

Detalle volante glucydur en IWC Ingenieur

En la actualidad los volantes ya no se fabrican con láminas bi-metálicas de compensación sino que se han buscado aleaciones especiales como el Glucydur que resultan inertes a los cambios de temperatura. Por tanto, ya que el volante no realiza la labor de compensación, esta debe ser realizada por el espiral. Todos los espirales son ahora planos y se fabrican con materiales como el ‘Nivarox’, ‘Isoval’ o ‘Metelinvar’ que tiene como característica común la elasticidad invariable. La empresa Nivarox-Far SA, perteneciente al grupo Swatch, fabrica la mayor parte de los espirales utilizados en la actualidad.

Cuando el lector, en el pliego de características técnicas de un reloj de gama alta, lea ‘espiral Breguet’ ahora ya sabrá que es lo que le están diciendo. Lo mismo sucede con el volante. Nos podemos encontrar también con volantes ‘Glucydur’ y ‘Gyromax’ para los relojes Patek Philippe. Este último es un volante sin raqueta, patentado por Patek Philippe en 1949 y 51, fabricado con una aleación llamada Glucydur que es una composición de cobre con un 3% de berilio y un 0,5% de níquel.

 

José Luis Alvira

Febrero de 2003

Publicado en Relojes&Estilográficas en Abril-2003

Prohibida su reproducción total o parcial sin el consentimiento del autor.

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Consultor Alta Relojería

One comment

  1. es muy bonito y es un buen cientifico

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