Las Mediciones del Tiempo

Las Mediciones del Tiempo 19/04/2012

La observación de la naturaleza fue la fuente de estudios de las civilizaciones antiguas. El empirismo era la forma de conocimiento que teníamos y lo que se aprendía, estaba basado en la experiencia, ligada a la percepción sensorial. Nuestros antecesores se pasaban largos períodos observando el cielo, y desde muy temprano intuyeron que los fenómenos físicos actuaban de referente para que pudieran desarrollar sistemas de medición del tiempo. Los sucesos se repetían de forma periódica y esa regularidad fue aprovechada para la construcción de instrumentos que midieran intervalos de tiempo.

Aun hoy se ven en determinados lugares relojes de sol que miden el tiempo a través del día solar, o sea, sobre un pedazo de piedra debidamente elaborado con marcas sobre su superficie, es proyectada la sombra de un eje vertical central  que mide la parte del día en que alguien se pueda encontrar.

A lo largo de la historia fuimos cada vez más exigentes y necesitando medidas de tiempo más precisas, fuimos desenvolviendo inventos sofisticados que permitían medir intervalos temporales más pequeños y sistemas ordenados de situación en intervalos temporales más grandes. Así, surgieron las clepsidras, velas, cuadrantes y otros instrumentos para medición de horas, minutos y segundos, y los calendarios para registrar los días, semanas, meses, años y siglos.

Nota 1: El reloj atómico del Laboratorio Nacional de Física (NPL, por sus siglas en inglés) del Reino Unido es el más preciso del mundo, de acuerdo con una reciente investigación.

Estudios sobre su funcionamiento muestran que es el doble de preciso de lo que se creía.  Puede perder o ganar menos de un segundo en unos 138 millones de años.

El Reino Unido es una de las varias naciones que provee el "segundo estándar", pero la competencia internacional por la precisión podría desplazar a este artefacto del primer puesto. El CsF2 del NPL es un reloj atómico basado en una fuente de emisión de cesio, en el que el tictac está marcado por la medida de energía necesaria para cambiar una propiedad de los átomos de cesio llamada "espín".

De acuerdo con la definición internacional, lo que se miden son las ondas electromagnéticas necesarias para ejecutar este cambio de espín. Un segundo pasa luego de que se hayan registrado 9.192.631.770 picos y valles de estas ondas.

Clepsidras

Las clepsidras son relojes de agua que datan de la época egipcia y se usaban especialmente de noche, cuando los relojes de sol no perdían su utilidad. Consistían en una vasija de cerámica con un orificio en la base, de un tamaño suficiente como para asegurar la salida del líquido a una velocidad determinada, y en un tiempo fijado.  En su interior se colocaban marcas de tal manera que el nivel del agua indicaba distintos períodos de tiempo.

Los relojes de agua también se usaron en los tribunales de Atenas para indicar el tiempo asignado a cada orador. Luego, esos relojes fueron introducidos en los tribunales de Roma con el mismo objetivo.

Nota 2: En el siglo XI, el funcionario y científico chino Su Song inventó un complejo reloj astronómicos accionados por agua. Aquí vemos un modelo de la rueda de agua que movía dicho invento y un dibujo del mismo. Este reloj, una torre de unos seis metros de altura, funcionaba a partir un depósito de donde fluía un chorro de agua siempre igual sobre las paletas de una rueda. Ésta accionaba diversos mecanismos que hacían aparecer distintas figuras que señalaban las horas (acompañadas de toques de gong y de tambores) y movían un esfera celeste con la representación de estrellas y de constelaciones. De gran precisión para su época, la desviación diaria de este reloj era inferior a los dos minutos (figura arriba).

 

Arena

Son relojes que poseen el mismo principio que las clepsidras, permitiendo que la fuerza de la gravedad haga fluir una cantidad establecida de arena para determinar distintos intervalos de tiempo. En este tipo de relojes, la arena pasa a través de un vaso comunicante, a dos recipientes ligados de forma opuesta en el mismo cuerpo del objeto, que se voltea cuando termina de pasar el último grano del material.

El origen de los relojes de arena es incierto. Se cree que los ejércitos romanos los utilizaban durante la noche.

Fuego

Este fue un reloj bastante original en la época romana. Se trataba de la medición del tiempo a través de velas de tiempo que medían intervalos a partir de marcas numéricas dispuestas en el cuerpo del objeto que eran alcanzadas según la vela se consumía al paso de las horas (figura arriba).

Relojes de Sol

El término cuadrante designa el cuarto de círculo donde se lee la altura de un astro por sobre el horizonte. En forma extensiva, esta palabra se aplica a los instrumentos que marcan la hora. Los cuadrantes solares (gnomon, en griego) son relojes de Sol en los que se lee el tiempo según la longitud de la sombra que proyecta el movimiento del astro luminoso sobre una superficie determinada, que generalmente tiene una escala numerada para señalar la hora.

Todas las civilizaciones, desde Egipto hasta China, desde México hasta el Cercano Oriente, conocieron el reloj de Sol. El primer cuadrante solar de tamaño reducido que se conoció, entre los egipcios del siglo XV a. de N. E., era muy sencillo pues consistía en una simple barra que se clavaba perpendicularmente en el suelo, formando una paralela con el eje de la Tierra. La longitud y posición de la sombra proyectada permitía calcular los puntos correspondientes al paso del día a la noche, así como los solsticios. En el suelo que rodeaba la barra se marcaban las horas del día. Los enormes obeliscos también se usaban con el propósito de medir la hora a partir de la sombra que creaban, éstos se usaban como relojes públicos.
Se cree que los cuadrantes solares se usaron en Grecia desde el año 500 a. de N.E. y desde el siglo II a. de N.E. el uso del reloj solar o solarium se hizo tan común en todo el imperio romano que fue admitido en la legislación, y todos los negocios particulares eran regulados por las horas marcadas en el cuadrante.

Hubo cuadrantes solares de muchas formas: cuadrantes planos, cúbicos, globos ahuecados, tramos de escalones numerados en los que se proyectaba la sombra de un muro vertical, y cuadrantes portátiles con brújula.

Astros

Las civilizaciones más lejanas conocieron los cuadrantes astronómicos, en los que se lee el paso del tiempo y que también sirven para marcar las estaciones según el movimiento de una estrella en el espacio. Uno de los primeros, que se construyó hacia el año 3100 a. de N. E., se encontró en Newgrave, Gran Bretaña.
El más famoso cuadrante monumental es el de Stonehenge, al sur de Inglaterra, que data de 1900 a. de n. E.. Se cree que este gigantesco círculo de piedras, que constaba de cuatro estructuras principales, cumplía con un propósito sagrado de culto al sol. Para los constructores de Stonehenge, la fiesta principal, que quizá señalara el comienzo del año, era el 24 de junio, día en que el verano llega a la mitad. En la madrugada de ese día, el sumo sacerdote podía situarse en el centro del monumento y, por entre los pilares de los grandes círculos, mirar al Sol naciente precisamente sobre la piedra central. En invierno, cerca del día más corto del año (22 de diciembre), podía mirar en la misma dirección por la tarde, y ver el Sol poniente entre las dos columnatas exteriores. Este sitio, además, tenía piedras alineadas con fases específicas de la luna.

Poder Eclesiástico

El ritmo de la vida europeo estuvo unido por muchos siglos al ciclo de las estaciones, de la agricultura y de los ritos tradicionales gaélicos, celtas o galos. Conforme la Iglesia católica se consolidó como la institución más poderosa de Europa, el control del tiempo -además de las pesas y medidas- cayó bajo su dominio. La Iglesia se convirtió en la gran administradora de los días y los años. El año eclesiástico se dividió en cuatro periodos: de Pascuas a Pentecostés, de Pentecostés a septiembre, de septiembre a la Cuaresma y de aquí hasta Pascuas.
Sin embargo, la verdadera organización del tiempo medieval se originó en la vida monacal. Conventos y monasterios impusieron, poco a poco, su propio horario y calendario en el campo y en las ciudades. El día se dividió en siete horas canónicas. En lugar de contar las horas de una a doce, los monjes incluyeron siete momentos en la jornada: los siete momentos del oficio o siete "instantes" de Dios. Además, dividieron los meses en semanas de siete días, según la tradición hebrea. El domingo, en lugar del sábado, se convirtió en un día reservado completamente al servicio de Dios, y el tiempo destinado habitualmente al trabajo manual lo consagraron a la lectura y a la meditación. Por otra parte, para determinar las diferentes fechas del año, los monjes utilizaron más y más los nombres de los distintos santos y las fiestas de la historia de Cristo. Este sistema se difundió en el conjunto del Occidente cristiano.
A partir de la Alta Edad Media, se dividieron las 24 horas de un día en cuatro partes, cada uno de las cuales equivalía a seis horas. La hora, por su parte, se dividió en cuatro puntos: un punto valía un cuarto de hora. El punto equivalía a diez momentos. El momento valía, por tanto, un minuto y medio, y estaba dividido en doce onzas (cada onza valía siete segundos y medio); la onza se dividía en cuarenta y siete átomos; se consideraba que el átomo era tan pequeño que no podía fraccionarse.
En un día, la transición entre cada cuadrante de seis horas se anunciaba con campanas colocadas en las iglesias. Así, las campanas tocaban un golpe a Prima, es decir, al salir el Sol; dos golpes a la Tercia, entre la salida del Sol y el mediodía; tres golpes a la Sexta, es decir a medio día, etcétera. Este tiempo eclesiástico que se regulaba al sonar de las campanas fue determinante en el desarrollo de la vida cotidiana de la Edad Media. Las campanas marcaban las horas de los rezos y señalaban también el ritmo de trabajo. Indicaban la hora a la que había que levantarse, dirigirse al trabajo, descansar o finalizar la jornada laboral.
A finales del siglo XIII se inauguró en Westiminster Hall, en Londres, el primer reloj mecánico dotado de sonidos metálicos, emulando a las campanas. A partir de entonces, aparecieron grandes relojes mecánicos en las catedrales de ciudades importantes en Inglaterra y algo más tarde en Francia y Alemania. Los nuevos relojes mecánicos estaban accionados por una pesa que pendía de una cuerda. El funcionamiento del reloj estaba regulado por un mecanismo denominado escape. La tracción de la pesa se producía sólo cuando el escape liberaba a intervalos regulares el mecanismo de relojería, con lo que se producía el avance. De este modo, apareció por primera vez el tictac de los relojes.

Relojes

En el siglo XIII, en el lindero final de la Edad Media, apareció la primera máquina industrial: el reloj. Los relojes primitivos, fabricados por herreros, estaban hechos de acero y sufrían de la expansión y contracción que provocaban los cambios en la temperatura. Eran inexactos en un rango de 15 a 30 minutos al día y tenían que ser ajustados diariamente. Su propósito inicial era hacer sonar las campanas cada hora en las torres de castillos, iglesias o centros de población. 

                                                     Reloj de Péndulo antiguo

En el siglo XV se inventaron los relojes de una manecilla para marcar las horas y en 1505 el herrero alemán Peter Henlein consiguió construir relojes mecánicos tan pequeños que podían llevarse en el bolsillo.

Estos relojes, que se popularizaron con el nombre de "relojes de saco" se montaban en cajas y en lugar de pesas utilizaban resortes. Se llevaban en una bolsa, sonaban cada hora y funcionan durante unas 40 horas. Muy pronto, en los hogares acaudalados, aparecieron los primeros relojes decorativos y de antesala, considerados juguetes de gran novedad y muy caros. Poco a poco se estableció la forma convencional de los relojes, se fabricaron modelos para suspenderlos y aquellos de fantasía, que tomaban formas muy diversas: botones de flor, flores abiertas, animales, crucifijos y hasta cabezas de muertos!.
La primera revolución relojera se dio en el siglo XVII, cuando el científico holandés Christiaan Huygens inventó el reloj de péndulo, alcanzando una exactitud similar a la de los relojes de sol. El péndulo de Huygens funcionaba movido principalmente por las fuerzas de la gravedad y sus relojes fueron los primeros cronómetros capaces de contar los segundos. La idea de emplear el péndulo para su aplicación al reloj la había formulado en 1636 Galileo Galilei pero, viejo y ciego, no la pudo llevar a la práctica.

También por entonces apareció la manecilla de los minutos y un sistema que permitía que cada hora sonara una campanilla. Muchos tenían, además, salientes en la carátula para leer la hora en la oscuridad. Durante el último tercio del siglo XVII la novedad fueron los relojes de bolsa llamados "cebollas", que se perfeccionaron gracias al invento del muelle-espiral. En esta época la moda masculina indicaba el uso de un reloj unido a una cadena y luego dentro del bolsillo del chaleco. Las mujeres los llevan en la cintura con frecuencia, colgando de un listón o una cadenilla. Los relojes eran muy caros y se vendían como objetos de lujo en las joyerías y perfumerías. El tiempo pertenecía todavía a las clases ricas, granjeros y comerciantes, quienes lo seguían imponiendo a los demás por medio de las campanas.

Nota 3: En 1721, George Graham logró compensar los cambios de temperatura que hacían variar la velocidad de las péndolas de acero. Su reloj tenía una, aislada de la temperatura por medio de una ampolleta de mercurio, que variaba apenas un segundo al día. 

En 1802, un relojero francés, Ferninand Berthoud, escribió: "Con el uso de los relojes, los hombres pueden emplear todos los momentos necesarios en los trabajos de la vida civil. El hombre arregla, mediante ellos, la hora del trabajo y la del reposo, la de su comida y de su sueño. Y, por esta afortunada distribución del tiempo, la sociedad misma camina como el reloj, y forma, cuando está bien organizada, una especie de engranaje cuyos movimientos sucesivos son los trabajos de todos los miembros que la constituyen".

En el primer reloj eléctrico, que se inventó en el siglo XIX, el péndulo no se movía gracias a la acción de la fuerza de la gravedad sobre una pesa, sino mediante un electroimán alimentado por una batería. En 1914 el norteamericano Henry Ellis Warren accionó un reloj mediante un dispositivo electromotor y gracias a esto inventó los primeros relojes eléctricos fiables. Sin embargo, los relojes más precisos creados hasta la fecha son los relojes atómicos, que desde 1948 comenzaron a utilizarse en campos como la aviación y las armas nucleares.

Relojes de pulsera

Se dice que el primer reloj de pulsera se creó por encargo de la reina de Nápoles, en 1812. Y aunque fue una mujer quien promovió su creación, en los primeros años de su historia, los relojes de pulsera tuvieron mayor popularidad entre los hombres. En el siglo XX, la Primera Guerra Mundial impulsó su uso cuando los oficiales del ejército se vieron obligados a utilizarlos. Una década más tarde, en 1929, el relojero estadounidense Warren Albin Marrisson inventó el reloj de cuarzo, con una imprecisión de entre 30 y 0,3 segundos por año. Para crearlo, empleó cristales de cuarzo, cuyas vibraciones se transforman en una corriente de frecuencia adecuada que sirve para accionar un pequeño motor sincrónico. Los relojes de cuarzo se siguen utilizando.
En 1957 aparecieron los relojes de pulsera eléctricos. El primer reloj de pulsera eléctrico del mundo fue el Hamilton Electric. Dichos relojes se alimentan gracias al empleo de pequeñas pilas y funcionan mediante diminutos dispositivos que hacen avanzar el segundero a saltos, mientras que las manecillas correspondientes a las horas y los minutos se mueven, con mayor lentitud, accionadas por un engranaje convencional. 

 

El Tiempo Atómico

En el año de 1967, para evitar imprecisiones en la medida del tiempo, se eligió un nuevo patrón base a la frecuencia de vibración atómica (un fenómeno extremadamente regular y fácilmente reproducible) para la definición de la unidad de tiempo físico. Según ello, un segundo físico corresponde a 9,192,631,770 ciclos de la radiación asociada a una particular transición del átomo de cesio. La precisión alcanzada con este reloj atómico es tan elevada que admite únicamente un error de un segundo en 30,000 años. A pesar de ello, actualmente se estudian nuevos relojes basados en las características del hidrógeno que permitirán alcanzar todavía mayor precisión (del orden de un segundo en tres millones de años).

PREGUNTAS

¿Cuál es el mecanismo de la clepsidra?
¿Consideras práctico el uso de la clepsidra? ¿Por qué?
¿En qué se parece el reloj de arena y la clepsidra?

¿Por qué se usaron los obeliscos, y cómo funcionaban?
¿Qué es un cuadrante astronómico?¿Cuáles fueron los ciclos del año cristiano?
¿Cómo eran anunciadas las horas y porqué fue tan importante durante la Edad Media?

¿Cuál es la diferencia entre el primer reloj que se inventó y el reloj de péndulo?
¿Cómo y porqué se compara el funcionamiento de un reloj y una sociedad en las palabras de Berthoud?
¿Cómo funcionan los relojes de cuarzo?
¿Cómo funciona un reloj atómico?

REFERENCIAS

http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/act_permanentes/historia/histdeltiempo/pasado/tiempo/p_midien.htm

http://www.bbc.co.uk/mundo/noticias/2011/08/110829_tecnologia_reloj_atomico_nc.shtml