Reloj de cuarzo para niños
El reloj de cuarzo es un tipo de reloj que usa un pequeño cristal de cuarzo para medir el tiempo con mucha precisión. Puede ser un reloj con agujas (analógico) o con números (digital). Este cristal de cuarzo vibra a una velocidad muy constante cuando recibe electricidad, y esas vibraciones son las que ayudan al reloj a saber la hora exacta. El cristal suele estar protegido dentro de un cilindro de metal.
Contenido
- ¿Cómo funciona un reloj de cuarzo?
- Historia de los relojes de cuarzo
- ¿Cómo funciona un reloj electrónico?
- Tipos de bases de tiempo en relojes
- Explicación detallada del cuarzo
- Mecanismo de un reloj de cuarzo
- Precisión de los relojes de cuarzo
- El envejecimiento del cristal de cuarzo
- Cronómetros de cuarzo
- Interferencias magnéticas externas
- Galería de imágenes
- Véase también
¿Cómo funciona un reloj de cuarzo?
La energía que hace vibrar el cristal de cuarzo viene de una pequeña pila que está dentro del reloj. Esto es lo que lo hace diferente de otros relojes antiguos, como los de agua o arena, que no usaban electricidad.
El cristal de cuarzo actúa como un "director de orquesta" que mantiene el ritmo. Su vibración genera una señal eléctrica con la misma frecuencia. Esta señal ayuda a que el circuito electrónico del reloj se mantenga estable y corrija cualquier pequeña desviación. La velocidad a la que vibra el cristal depende de su forma y tamaño, que son elegidos cuidadosamente por el fabricante. Es importante saber que no todos los relojes de cuarzo son digitales; muchos tienen manecillas como los relojes tradicionales.
Historia de los relojes de cuarzo
Descubrimiento y primeros pasos
Las propiedades especiales del cuarzo fueron descubiertas por los científicos Jacques y Pierre Curie en 1880. En 1912, se inventó el oscilador electrónico, un circuito que produce señales eléctricas repetitivas. En 1919, el físico William Eccles usó un oscilador eléctrico para mantener el movimiento de un diapasón, lo que mejoró la estabilidad de la frecuencia.
El primer oscilador de cristal de cuarzo fue creado por Walter G. Cady en 1921. Poco después, en 1923, D. W. Dye y Warren Marrison lograron producir señales de tiempo muy precisas usando osciladores de cuarzo.
El primer reloj de cuarzo y su evolución
En 1920, Warren Marrison y J.W. Horton construyeron el primer reloj de cuarzo en los Laboratorios Bell. Era un dispositivo grande, más adecuado para un laboratorio que para llevarlo puesto. Este reloj de 1927 usaba un bloque de cristal que, al ser estimulado por electricidad, producía 50.000 pulsos por segundo.
Durante las siguientes tres décadas, los relojes de cuarzo se usaron como estándares de tiempo muy precisos en laboratorios. Eran voluminosos y usaban tecnología de válvulas de vacío. En 1932, un reloj de cuarzo pudo medir pequeñas variaciones en la rotación de la Tierra. En Japón, Issac Koga desarrolló un tipo de corte de cristal que reducía mucho la influencia de la temperatura en la frecuencia de oscilación.
La Oficina Nacional de Normas de EE. UU. (ahora NIST) usó relojes de cuarzo como su estándar de tiempo desde los años 30 hasta los 60. En 1953, la empresa suiza Longines desarrolló el primer mecanismo de cuarzo. Sin embargo, el uso masivo de esta tecnología tuvo que esperar hasta los años 60, con el desarrollo de la lógica digital y los semiconductores más económicos.
La llegada al mercado y la "crisis del cuarzo"
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En 1964, Seiko usó su modelo Quartz Crystal QC-591 como cronómetro de respaldo en la maratón de los Juegos Olímpicos de Tokio.
En 1967, aparecieron los primeros prototipos de relojes de pulsera de cuarzo: el Beta 1 de Suiza y el Astron de Seiko.
Finalmente, en la Navidad de 1969, Seiko lanzó el Seiko Astron 35SQ, el primer reloj de pulsera de cuarzo comercial. Era muy preciso, con un atraso de solo 5 segundos al mes. Su precio era alto, similar al de un automóvil de la época. Poco después, otros fabricantes suizos también presentaron sus relojes de cuarzo.
En 1971, Girard-Perregaux introdujo el Calibre 350, con una frecuencia de 32.768 Hz, que se convirtió en la frecuencia más usada en la mayoría de los relojes de cuarzo. Las innovaciones de los años 70, como los circuitos integrados, hicieron que los relojes de cuarzo fueran más económicos y tuvieran una batería de larga duración.
En 1972, Hamilton Watch lanzó el primer reloj digital, el Pulsar. Longines creó poco después el primer reloj digital con pantalla LCD.
La producción masiva de relojes de cuarzo, tanto analógicos como digitales, comenzó en Japón y Hong Kong con marcas como Casio, Citizen y Seiko. Su comodidad, precisión, bajo costo y funciones adicionales (como alarmas y cronógrafos) los hicieron muy populares. Esto causó una gran revolución en la industria relojera, conocida como la crisis del cuarzo, que afectó mucho a los fabricantes suizos de relojes mecánicos.
La recuperación y el futuro
En la década de 1980, la tecnología de cuarzo se extendió a muchos otros aparatos, como temporizadores de cocina y despertadores.
Sin embargo, en 1983, el lanzamiento del reloj Swatch, con un mecanismo de cuarzo sencillo y económico, ayudó a revivir el interés por los relojes de agujas. Swatch tuvo tanto éxito que compró a muchos fabricantes suizos tradicionales. Hoy en día, muchas de estas marcas suizas usan cuarzo para sus modelos más económicos y mecanismos mecánicos para los de gama alta.
En 1992, Seiko lanzó el reloj de cuarzo automático, llamado Kinetic, que no usa pila. En lugar de una pila, el movimiento del brazo de la persona genera electricidad para alimentar el mecanismo.
Desde los años 80, los relojes de cuarzo dominan el mercado. Son más precisos que los relojes mecánicos, más resistentes a golpes y magnetismo, y no necesitan tanto mantenimiento.
¿Cómo funciona un reloj electrónico?
Un reloj electrónico usa componentes electrónicos para medir el tiempo. Su precisión depende de una "base de tiempos", que es como un metrónomo que genera una señal regular.
Luego, un circuito digital llamado "divisor de frecuencia" toma esa señal y la divide para obtener pulsos de 1 Hz (un pulso por segundo). Si el reloj muestra décimas de segundo, la división se detiene antes.
Finalmente, esta frecuencia se envía a la parte que muestra la hora, ya sea una pantalla digital o un mecanismo con agujas, que separa los segundos, minutos y horas.
Tipos de bases de tiempo en relojes
La base de tiempos es tan importante que a menudo da nombre al tipo de reloj:
- Patrón de red: Usa la frecuencia de la red eléctrica (50 o 60 Hz) como referencia. Es simple y bastante precisa a largo plazo, pero necesita estar conectada a la corriente y pierde la hora si hay un corte de luz.
- Emisora patrón: Se sincroniza con señales de radio de emisoras horarias. Se ponen en hora solos y cambian la hora automáticamente, pero necesitan recibir la señal.
- Reloj de diapasón: Usa un diapasón que vibra para controlar el oscilador. Este sistema ya no se usa mucho.
- Reloj de cuarzo: Usa un cristal de cuarzo que vibra, generalmente a 32768 Hz. Es muy estable y económico, por lo que es el más común.
- Reloj atómico: Es el más preciso. Usa la resonancia de átomos de ciertas sustancias para medir el tiempo.
Explicación detallada del cuarzo
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El cuarzo es un mineral compuesto de óxido de silicio. Tiene una propiedad especial llamada piezoelectricidad: cuando se le aplica una fuerza, genera electricidad, y si se le aplica electricidad, se dobla o vibra. Esto lo hace ideal para un reloj, ya que puede vibrar directamente con una señal eléctrica.
Además, el cuarzo no cambia mucho de tamaño con los cambios de temperatura, lo que ayuda a que el reloj sea muy preciso incluso si la temperatura ambiente varía.
A principios del siglo XX, los ingenieros de radio buscaban fuentes estables de frecuencias. Descubrieron que el cuarzo era mejor que otros materiales. Más tarde, los científicos del NIST encontraron que un oscilador de cristal de cuarzo podía ser más preciso que un reloj de péndulo.
El circuito electrónico de un reloj de cuarzo es un oscilador que amplifica una señal y la pasa por el cristal de cuarzo. El cristal actúa como un filtro, dejando pasar solo una frecuencia muy específica. Esta señal se retroalimenta al amplificador, asegurando que el oscilador funcione a una frecuencia exacta.
La frecuencia a la que vibra el cristal depende de su forma, tamaño y cómo se corta. En casi todos los relojes de cuarzo, la frecuencia es de 32768 Hz. Este número es una potencia de dos (32768 = 215), lo que simplifica la división de la frecuencia para obtener un pulso por segundo. Esta frecuencia es lo suficientemente alta para ser inaudible y lo suficientemente baja para ahorrar energía.
La señal del cristal (32768 pulsos por segundo) se envía a una cadena de 15 divisores de frecuencia. Cada divisor reduce la frecuencia a la mitad. Al final de la cadena, se obtiene un pulso digital cada segundo. Este pulso se usa para mover las manecillas en los relojes analógicos o para actualizar la pantalla en los digitales.
Algunos relojes de cuarzo pueden usar frecuencias más altas, pero esto consume más batería.
Mecanismo de un reloj de cuarzo
En los relojes de cuarzo modernos, el cristal de cuarzo tiene forma de un pequeño diapasón. Se corta con láser o se pule con mucha precisión para que vibre a 32768 Hz. Esta frecuencia es ideal porque permite usar divisores digitales simples para obtener la señal de 1 Hz necesaria para el segundero.
El cristal suele estar en un pequeño paquete cilíndrico o plano, de unos 4 a 6 mm de largo. La frecuencia de 32768 Hz es un buen equilibrio entre el tamaño del cristal (los cristales de baja frecuencia serían muy grandes) y el consumo de energía (los cristales de alta frecuencia consumirían mucha batería).
Precisión de los relojes de cuarzo
Los relojes de cuarzo son muy precisos. Un reloj de cuarzo típico puede adelantarse o atrasarse unos 15 segundos cada 30 días, si se usa a una temperatura normal (entre 5 y 35 °C). Esto significa que su error es de menos de medio segundo al día.
¿Cómo afecta la temperatura a la precisión?
Aunque el cuarzo no se expande mucho con el calor, los cambios de temperatura son la principal causa de que la frecuencia de un oscilador de cristal varíe. Para relojes de laboratorio muy precisos, el cristal se mantiene a una temperatura constante en un pequeño horno. Esto no es práctico para los relojes de pulsera.
Los cristales de cuarzo de los relojes de pulsera están diseñados para ser menos sensibles a los cambios de temperatura y funcionan mejor entre 25 y 28 °C. Esta temperatura ideal se llama "punto de inflexión". Una desviación de ±1 °C de este punto puede causar un error de aproximadamente 1.1 segundos al año. Si la desviación es de ±10 °C, el error puede ser de unos 110 segundos al año.
Los fabricantes de relojes de cuarzo recomiendan usar el reloj regularmente. El calor del cuerpo humano ayuda a mantener el cristal a una temperatura más estable, lo que mejora la precisión del reloj.
Mejorando la precisión de los relojes de cuarzo
Algunos relojes de cuarzo tienen funciones que mejoran su precisión. Por ejemplo, pueden medir su propia temperatura y ajustarse. Los relojes de cuarzo de alta precisión pueden tener un error de solo ±1 a ±25 segundos al año. Algunos incluso se certifican como cronómetros marinos, que son muy importantes para la navegación.
Ajuste fino con condensador
Los relojes de cuarzo más antiguos o económicos pueden tener un pequeño tornillo llamado "condensador de ajuste". Al girarlo, se puede modificar ligeramente la frecuencia del oscilador para ajustar la velocidad del reloj. Girarlo en el sentido de las agujas del reloj lo acelera y en sentido contrario lo ralentiza. Los relojes más nuevos suelen usar métodos digitales para el ajuste.
Compensación térmica
Los relojes de cuarzo de alta precisión pueden medir su temperatura y compensarla automáticamente. Esto se hace ajustando el número de ciclos del cristal que se "saltan" según la temperatura. El COSC (un organismo suizo de certificación) prueba los cronómetros de cuarzo para asegurar su precisión, que debe ser de ±25.55 segundos al año a 23 °C. Solo un pequeño porcentaje de relojes de cuarzo suizos obtienen esta certificación.
Otros métodos para mejorar la precisión
Desde 2019, existen relojes de cuarzo de alta precisión que funcionan con luz y tienen una precisión de ±1 segundo al año. Usan un cristal de cuarzo con una forma especial (corte AT) que funciona a una frecuencia de 8388608 Hz, compensación térmica y cristales "pre-envejecidos".
Compensación por inhibición
Muchos relojes de cuarzo económicos usan una técnica llamada "compensación por inhibición". El cristal se fabrica para que funcione un poco más rápido. Después, en la fábrica, se programa el reloj para que "salte" una pequeña cantidad de ciclos del cristal a intervalos regulares (por ejemplo, cada 10 segundos o 1 minuto). Esto ajusta el reloj para que mantenga la hora exacta. Es un método más económico que ajustar la frecuencia del cristal directamente.
Corrección con señales externas
Algunos relojes de cuarzo pueden sincronizarse con señales de radio o satélite (como las de los relojes atómicos). Al comparar su hora con estas señales externas, el reloj puede ajustarse automáticamente para ser aún más preciso, con un error de ±1 segundo al año. Esto es muy útil para la navegación.
El envejecimiento del cristal de cuarzo
Los cristales de cuarzo se fabrican en ambientes muy limpios y se sellan herméticamente. A pesar de esto, la frecuencia de un cristal puede cambiar lentamente con el tiempo, un proceso llamado "envejecimiento". Sin embargo, este efecto es mucho menor que el de los cambios de temperatura.
El envejecimiento suele hacer que la frecuencia del cristal disminuya, aunque a veces puede aumentar. La mayor parte del envejecimiento ocurre en el primer año de vida del cristal y luego se ralentiza mucho.
Para reducir este efecto, los fabricantes pueden "pre-envejecer" los cristales antes de montarlos en los relojes, exponiéndolos a altas temperaturas. Esto permite que el cristal se estabilice y que el reloj mantenga su precisión por más tiempo. Los relojes más caros a menudo usan cristales que han sido pre-envejecidos por más tiempo y seleccionados por su mejor rendimiento.
Cronómetros de cuarzo
Los cronómetros de cuarzo diseñados para ser estándares de tiempo muy precisos a menudo incluyen un horno para mantener el cristal a una temperatura constante. Algunos incluso tienen varios cristales para promediar las mediciones y ser aún más exactos.
Interferencias magnéticas externas
Los relojes de cuarzo analógicos (los de agujas) usan un pequeño motor que funciona con un campo magnético. Si el reloj está cerca de fuentes magnéticas fuertes, como imanes, el motor puede verse afectado. Esto puede hacer que las manecillas se detengan, se adelanten o se atrasen. Al alejar el reloj de la fuente magnética, el movimiento suele volver a la normalidad.
Los relojes de cuarzo digitales no tienen este problema, ya que no usan motores paso a paso. Sin embargo, campos magnéticos muy potentes, como los de las máquinas de resonancia magnética, sí pueden dañar cualquier tipo de reloj de cuarzo.
Galería de imágenes
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Reloj de pulsera de cuarzo
Véase también
En inglés: Quartz clock Facts for Kids
