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1. Descrição geral
O balanço de um relógio e a mola espiral constituem seu órgão regulador. O balanço é um volante de inércia composto por uma massa anular chamada aro (base da roda) sustentada por braços (geralmente dois ou três) (Figura 3). A fim de garantir a melhor precisão do relógio e consumir um mínimo de energia, o balanço terá idealmente o maior momento de inércia e a menor massa possível.
2. Momento de inércia
Fórmulas:
(em função do Balanço)
l = momento de inércia do Balanço (kg × m²)
m= massa do Balanço (kg)
r= raio de giração do Balanço (m)
(em função do Espiral)
C= rigidez do Espiral (N×m/rad)
f= frequência (Hz)
3. Balanços anulares
Existem numerosos tipos de balanços e de design. Atualmente os balanços podem ser divididos em duas grandes categorias. Os balanços anulares constituem a mais importante. São geralmente fabricados em cobre-berílio, em bronze-berílio ou em Glucydur (mesmos tipos de ligas). Têm uma excelente relação entre a sua massa e o seu momento de inércia assim como um excelente coeficiente de dilatação térmica. Os balanços anulares podem ter dois ou três braços (Figura 3).
Figura 3
Balanços anulares de dois e três braços
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A correção da marcha diária dos movimentos equipados com balanços anulares é geralmente feita por modificação do comprimento ativo do espiral e necessita, portanto, da presença de uma raquete (regulador). Quanto ao seu equilíbrio (estático ou dinâmico / cf. A regulação) ele é geralmente feito procedendo a uma (ou várias) fresagem(ns) sob o aro do balanço (cf. A regulação).
4. Balanços de inércia variável
Como o nome sugere, o momento de inércia de tais balanços pode ser corrigido pelo relojoeiro durante a colocação em funcionamento inicial do movimento ou durante revisões (manutenções). Este tipo de balanço é mais caro e complicado de produzir do que os balanços anulares, mas oferece uma maior flexibilidade e precisão de regulação. Encontram-se hoje na maioria dos relógios de qualidade superior. Embora existam muitos designs e construções, podem-se distinguir hoje duas grandes categorias de balanços de inércia variável.
Os balanços de parafusos
É a construção mais antiga e mais tradicional de balanços de inércia variável. A circunferência do aro (base da roda) possui um número variável de parafusos (geralmente entre 16 e 18). Os parafusos estão dispostos em pares (dispostos a 180° um do outro na periferia do aro) (Figura 4). O equilíbrio (estático e dinâmico) de tais balanços é geralmente feito fresando ligeiramente a cabeça do parafuso onde se situa o desequilíbrio (cf. A regulação). Para modificar o momento de inércia do balanço, insere-se ou retiram-se pequenas anilhas entre o(s) parafuso(s) e o aro (base da roda) do balanço. Pode-se assim corrigir o equilíbrio do balanço enquanto se modifica o seu momento de inércia e, portanto, agir sobre a frequência do órgão regulador. A frequência e a marcha diária de relógios equipados com tais balanços podem, portanto, ser corrigidas exclusivamente por modificação do momento de inércia do balanço, sem necessitar absolutamente da presença de uma raquete (regulador) (correção da marcha diária por modificação do comprimento ativo do espiral).
Figura 4
Balanço de inércia variável com parafusos
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Os balanços “de massas” ou virolas
Surgidos mais recentemente, este tipo de balanços oferece as mesmas vantagens que os balanços de parafuso, proporcionando ao mesmo tempo uma melhor aerodinâmica ao balanço e simplificando a sua regulação. As virolas (massas fendidas) são dispostas no aro (base da roda) do balanço, sendo encaixadas à pressão (negrito) num pino (figura 5).
Figura 5
Balanço de inércia variável com massas
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É, portanto, facilmente possível fazer girar uma ou várias massas em torno dos seus respetivos eixos. É assim possível proceder à regulagem estática e dinâmica do balanço (cf. a regulação), mas também modificar o seu momento de inércia e, portanto, a frequência do órgão regulador. (assim, deslocando as fendas das virolas (massas) para o interior do balanço, aumenta-se o seu momento de inércia, a frequência diminui e provoca-se atraso.) E inversamente, se se deslocarem as fendas das virolas para o exterior, diminui-se o momento de inércia do balanço, a frequência aumenta e provoca-se avanço (Figura 6).
Figura 6
Efeito das variações do momento de inércia na marcha diária
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5. Histórico
Contemporâneo de Galileu, com quem partilha alguns temas de estudo (astronomia, pêndulo), Christian Huygens, matemático, astrônomo e físico holandês, descobre em dezembro de 1659 a teoria do isocronismo da cicloide. Segundo essa teoria, o período de um pêndulo é constante, seja qual for sua amplitude, quando a extremidade do pêndulo evolui sobre um plano cicloidal. Essa teoria é a que rege, ainda hoje, todos os cálculos ligados à regulação e à precisão dos relógios e das montras.
Huygens também é conhecido por ter sido o primeiro (um dos primeiros?) a ter associado um espiral plano para um balanço anelar. Uma invenção que permitirá desenvolver pêndulos de viagem (nomeadamente cronômetros marítimos), depois relógios. Embora muitas tentativas e pesquisas tenham sido feitas desde então para imaginar osciladores mecânicos mais eficazes (precisão, frequência, etc.), a invenção de Huygens permanece até hoje inigualável.
Os relojoeiros compreendem rapidamente que dois dos fatores que mais perturbam a precisão do relógio são: a gravidade e as diferenças de temperatura. Abraham-Louis Breguet inventa assim o tourbillon em 1801 para compensar os efeitos da gravidade.
Para combater a dilatação devida às mudanças térmicas, os relojoeiros imaginarão balanços bimetálicos fendidos. Sendo a dilatação do primeiro metal mecanicamente oposta à do segundo metal, resulta daí uma compensação térmica com uma modificação minimizada do momento de inércia do balanço. Este tipo de balanço desaparecerá ao longo do século 20º século na sequência da invenção em 1907 por Charles-Édouard Guillaume da Liga Invar. Esta liga de Ferro e níquel apresenta um Coeficiente de dilatação térmica extremamente baixo. Encontrará numerosos campos de aplicação (metrologia, criogenia, relojoaria, etc.) e contribuirá mesmo para a invenção da televisão, o que valerá a Guillaume o Prémio Nobel da Física em 1920. Os Balanços realizados nesta liga de Ferro (64%) e de níquel (36%) sofrem uma influência térmica tão negligenciável que retomarão uma composição monometálica e uma forma anelar. Desde o início do 21º século, novos Materiais surgem e encontram-se por vezes na composição dos Balanços.
A Inércia de um Balanço deve estar, tanto quanto possível, situada na sua periferia, enquanto o seu centro deve ser tão leve quanto possível. Encontram-se assim por vezes Balanços (por exemplo) em Titânio (Amagnético, robusto, leve e com baixa Dilatação) portando Massas em Ouro nos seus Aros (base da roda).
Muitas outras combinações de Materiais foram assim experimentadas com este mesmo objetivo.
6. Fabricação artesanal de um Balanço
Dois componentes constituem o Balanço: o seu volante de inércia e o seu eixo. O eixo é de aço e será facilmente realizável num torno de relojoeiro e um torno de pivotar manuais. Já a fabricação do balanço é mais delicada devido à precisão que exige. No entanto, é possível fabricar um balanço artesanalmente através de diferentes operações de torneamento e fresagem, mesmo que hoje em dia a maioria dos artesãos independentes prefira recorrer à solução industrial do torneamento automático, que também se adequa bem a pequenas séries ou peças únicas.
7. Produção industrial de um Balanço
A nível industrial, o volante do balanço e o seu eixo são geralmente maquinados por um torno automático. Além das operações de torneamento inerentes a esses dois componentes, também é possível realizar a fresagem dos braços na mesma máquina. Dessa forma, todas as operações de torneamento e fresagem serão perfeitamente concêntricas e o balanço ficará melhor equilibrado. Os métodos escolhidos para as operações de acabamento, decoração, montagem e equilíbrio são então selecionados de acordo com a gama do relógio. (polimento manual ou polimento em tambor, rolagem manual ou mecânica, etc.).
8. Philippe Dufour e Julien Tixier falam sobre o balanço (vídeo)
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