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O ESPIRAL

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Figura 1

Vista explodida do órgão regulador

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Figura 2

Plano de uma espiral plana

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1. Descrição geral

O espiral é uma lâmina metálica ou em silício, ou mesmo em nanotubos de carbono, de secção retangular. Está enrolada sobre si mesma em forma de espiral e conta geralmente entre 12 e 15 voltas (Figura 2). Associado ao balanço, forma o órgão regulador dos relógios mecânicos.

2. Papel do espiral

O espiral tem a mesma função no balanço de um relógio, do que a gravidade sobre o pêndulo de um relógio de pêndulo. O seu papel é reconduzir constantemente o oscilador (balanço ou pêndulo) ao ponto médio de cada uma das suas alternâncias: o ponto morto (assim chamado, pois é a posição que o oscilador ocupa quando já não recebe energia e para). A extremidade central da espiral fixa-se ao eixo do balanço através de uma virola (parte móvel). A extremidade periférica da espiral fixa-se à ponte do balanço através de um piton (espiga da espiral) (ponto fixo).

Quando a âncora transmite o seu impulso ao balanço, este inicia a sua alternância livre. O espiral desenvolve-se em contração, trava o balanço até o parar e traz-o de volta ao ponto morto. O balanço recebe então um impulso que lança uma alternância oposta. O espiral desenvolve-se então em extensão e também traz o balanço de volta ao ponto morto.

É ao espiral que cabe a responsabilidade da precisão. Seja a energia dos impulsos transmitidos ao balanço máxima ou mínima e qualquer que seja o ângulo percorrido pelo balanço (amplitude), cada alternância deve ter exatamente a mesma duração (período). É o isocronismo. O comprimento ativo do espiral determina a precisão da regulação do relógio. Se o espiral for demasiado curto, o relógio adianta, se for demasiado longo, o relógio atrasa.

3. Construções e materiais

Estando os relógios equipados com uma raquete (regulador) permitem modificar o comprimento ativo do espiral, determinado neste caso pela posição dos dois pinos da raquete. Como o espiral não se desenvolve de forma perfeitamente concêntrica ao eixo do balanço, cria, nas posições verticais, defeitos de equilíbrio prejudiciais. Cientes desta constatação, alguns relojoeiros tiveram a ideia de modificar a espira exterior do espiral. Levantando-a, fazendo-a retornar acima do plano horizontal do espiral. Prendendo-a nesta posição à ponte do balanço,melhora-se consideravelmente a concentricidade da Espiral quando ela trabalha (curva terminal Breguet, curva terminal Philips). Espirais cilíndricas (helicoidais), esféricas com dupla curva terminal permitem um desenvolvimento quase concêntrico da Espiral. O seu fabrico complexo e o volume que exigem limitam as suas aplicações em relógios de pulso a alguns relógios de exceção (Figura 3).

Figura 3

Modelo de Escape de repouso (detent) com Espiral cilíndrica

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Tradicionalmente as espirais são fabricadas numa Liga chamada Elinvar. Esta liga, inventada em 1920 por Charles-Édouard Guillaume, tem a vantagem de possuir um excelente módulo de elasticidade, um baixo coeficiente de dilatação térmica e uma relativa resistência à influência dos campos magnéticos (em comparação com os aços convencionais). O fabrico de espirais em Elinvar requer um grande know-how e exige uma precisão muito elevada. Assim, apenas uma dezena de casas dominam o seu fabrico (cf. aba método industrial abaixo).

Surgidas no início dos anos 2000, as espirais em silício oferecem a vantagem de um melhor módulo de elasticidade do que o aço e são totalmente amagnéticas. O seu custo de produção é pouco elevado e a sua tecnologia de fabrico permite perfis inéditos. Contudo, são muito quebradiças e qualquer correção da sua forma é impossível (cf. aba método hi-tech abaixo). O uso de espirais em silício tende hoje a generalizar-se.

4. Características e cálculos

Figura 4

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5. Histórico

Em 1675, Christian Huygens, que descobriu a teoria do pêndulo (isocronismo) vinte anos antes, provavelmente auxiliado pelos trabalhos preliminares do Abade de Hautefeuille na França e do Doutor Robert Hooke na Inglaterra, manda fabricar o primeiro relógio regulado por um balanço-espiral. Os relógios portáteis (relógios de viagem), de navegação (cronómetros marítimos) e os relógios de pulso/bolso puderam então existir e dar à relojoaria mecânica os fundamentos dos seus princípios técnicos. Princípios que não deixaram de ser aperfeiçoados desde então pelos conhecimentos e evoluções tecnológicas, mas que permanecem inalterados nos seus fundamentos até hoje.

Os relojoeiros adotam o princípio de Huygens e rapidamente tomam consciência de que a influência das variações térmicas e do equilíbrio (desenvolvimento concêntrico da espiral) é significativa. Em 1766, John Harrison imagina um sistema de compensação térmica. Uma lâmina bimetálica comanda os movimentos da raquete (regulador) a fim de corrigir o comprimento ativo da espiral quando esta se dilata ou se contrai. Relojoeiros tão prestigiados como Ferdinand Berthoud, Pierre Le Roy ou A.-L. Breguet aperfeiçoarão os trabalhos de Harrison ou imaginarão as suas próprias soluções de compensação térmica (balanço bimetálico, etc.). Em 1782, John Arnold regista a patente de uma espiral cilíndrica. Esta desenvolve-se concentricamente ao eixo do balanço, ao contrário da espiral plana de Huygens. Este tipo de espiral permite obter uma cronometria excecional, particularmente quando associada a um escape de repouso (detent). A cronometria, a navegação e, portanto, a exploração beneficiarão desta verdadeira revolução. O Espiral cilíndrico exige muito mais etapas de fabrico e conhecimento especializado do que um Espiral plano e requer um volume que pode prejudicar significativamente a espessura de um movimento. É por isso que o seu uso em relógios de pulso se limita a alguns relógios de exceção.

Só em 1919 é que Charles-Édouard Guillaume, que tinha inventado o Invar vinte e cinco anos antes, desenvolveu o Elinvar (elástico e invariável). Esta será a Liga que revolucionará os Espirais graças ao seu baixo Coeficiente de dilatação térmica, um módulo de Elasticidade ideal e pouco sensível aos campos magnéticos. Com os seus trabalhos sobre o Invar, Guillaume receberá o Prémio Nobel da Física em 1920, e esta continua a ser a Liga utilizada no fabrico tradicional dos Espirais.

Desde 2000, a aplicação da tecnologia de produção DRIE de silício revolucionou o mundo das espirais. O seu modo de produção exige grandes tecnologias dispendiosas, mas o seu processo é simples de dominar. Permite produzir qualitativamente em grandes volumes. Por fim, o material (silício) apresenta uma excelente elasticidade, é amagnético e resiste notavelmente ao desgaste e à corrosão. Este método de produção conhece desde então uma expansão em permanente crescimento.

6. Produção tradicional de uma espiral (aço)

Este método utiliza como material, ainda hoje, a liga Elinvar inventado por Ch.-E. Guillaume. Esta liga complexa de produzir é utilizada essencialmente pela relojoaria e em quantidade irrisória. Um punhado de produtores oferece-a a um custo considerável. Os produtores de liga (fundições) fornecem o Elinvar em fio com cerca de 0,8-1 mm de diâmetro. As primeiras etapas de fabrico de um espiral consistem em trefilar este fio para reduzir o seu diâmetro. O fio é puxado através de fieiras sucessivas gradualmente mais pequenas. O diâmetro do fio diminui e o seu comprimento aumenta. Nenhum material é, portanto, eliminado (usinado) durante estas operações. Assim que o diâmetro calculado do fio é atingido, procede-se a diferentes etapas de laminação. O princípio é o mesmo que a trefilagem, mas desta vez puxa-se o fio entre rolos até lhe dar a secção retangular desejada. Assim que as dimensões da secção são atingidas, pode-se cortar as lâminas no seu comprimento quase final. Dá-se depois a forma da mola enrolando várias lâminas em tambores (estrapadas) que são submetidos a diferentes tratamentos térmicos extremamente sensíveis de realizar. As molas fixam-se assim na sua forma definitiva e adquirem a sua propriedade elástica. O Comprimento da mola é depois refinado (corte interior e exterior), forma-se a curva exterior e fixa-se a sua virola no interior e o seu piton (espiga da espiral) no exterior. Mede-se em seguida o seu módulo de elasticidade com um instrumento de alta precisão no qual se mede também a Inércia dos balanços. Esta etapa permite um emparelhamento balanço-Espiral ideal para uma cronometria otimizada. Por fim, a Espiral pode ser encaixada no eixo do seu Balanço e as numerosas etapas manuais, de centragem, aplanamento, Equilíbrio e Regulação podem ser realizadas. Estas etapas só podem ser realizadas à mão e exigem uma destreza excecional.

Marcas ou subcontratados, apenas cerca de uma dezena de casas dominam este método de produção. Muitos relojoeiros e marcas são, portanto, obrigados a abastecer-se junto delas.

7. Produção de alta tecnologia de um Espiral (Silício)

Surgido na relojoaria a partir do ano 2000, o silício veio literalmente revolucionar a produção de numerosos componentes e do Espiral em particular. Se a tecnologia de produção (DRIE) é complexo, os custos de produção são pouco elevados e permitem uma repetibilidade duradoura e uma precisão absoluta. Este método é o utilizado para o fabrico dos circuitos integrados. O princípio consiste em cortar (gravar) uma placa de silício de uma espessura determinada (geralmente a do componente final) por processo fotolitográfico. Este método permite realizar os perfis mais complexos com uma precisão que atinge o mícron. Consoante o tamanho dos componentes a realizar, várias centenas de peças podem ser realizadas simultaneamente num mesmo disco (wafer). Os perfis mais complexos podem ser obtidos sem o inconveniente dos raios de uma ferramenta de fresagem ou mesmo do fio de uma máquina de eletroerosão. Como este processo não exerce qualquer tensão mecânica, é possível realizar componentes muito finos (molas, etc.) ou vazá-los para limitar o seu peso. O silício é um material que apresenta uma dureza superior à dos aços, um excelente módulo de elasticidade e que é amagnético. Os progressos desta tecnologia e o seu sucesso tornam-na cada vez mais atrativa em termos de custos de produção e tendem a generalizar-se para o fabrico de numerosos componentes (nomeadamente para o escapamento e o órgão regulador).