Estrutura deste estudo
- Introdução e página 1: Instrumentos anteriores à escrita.
- Página 2: Instrumentos de observação das sombras.
- Página 3: Instrumentos de observação dos astros.
- Página 4: Instrumentos com escoamento ou combustão.
- Página 5: relógios e instrumentos modernos. (esta página)
Peço desculpa a quem teve coragem de seguir este estudo desde o início, mas vou repetir-me. E ainda mais nesta página do que nas outras. O objetivo do estudo é seguir a evolução dos instrumentos de medição no que trouxeram de inovação em matéria de precisão.
Por isso, não vai encontrar aqui nem imagens nem referências a tudo o que existe no mundo em matéria de relógios de torre, relógios de casa ou relógios de pulso. Encontrará ainda menos explicações técnicas detalhadas de relojoaria. No máximo, algumas explicações simples (simplistas, dirão os especialistas em relojoaria, que me perdoem) suficientes para perceber a evolução dos instrumentos. Aliás, eu seria incapaz de explicar o que é uma chaussée avec tige ou uma roue de renvoi e muitas outras peças... Para o resto, remeto-o para os excelentes sites especializados que existem.
Do relógio à relojoaria portátil
Generalidades
Tal como nas clepsidras, coloquemos algumas questões gerais antes de seguir a evolução técnica dos instrumentos:
Qual é a etimologia da palavra Horloge? Um pequeno mergulho no Dicionário da Academia Francesa: "n. f. (antigamente masculino. Ainda se diz em certas cidades le gros horloge. Le gros horloge de Rouen). Século XII, oriloge, orloge, no masculino. Do latim horilogium, por via do grego tardio hôrologion, «aquilo que indica a hora»."
Note-se, de passagem, que a palavra inglesa clock vem do francês cloche.
O primeiro relógio, quando, onde e por quem? É melhor dizê-lo de frente: não se sabe quem inventou o primeiro relógio mecânico. É ainda mais difícil sabê-lo porque o termo horilogium foi usado de forma genérica e é impossível saber se quem o usa está a descrever um relógio mecânico, uma clepsidra ou até um relógio de sol. Lembremos o mostrador canónico da igreja de Mérindol-les-Oliviers, na Drôme, com a inscrição OROLOGII.
Às vezes atribui-se a Gerberto, de quem já falámos, a invenção do relógio mecânico. Quase de certeza, isso é falso. E podemos até perguntar: se fosse verdade, porque teria essa invenção caído no esquecimento desde o fim do século X até ao fim do século XIII?
Porque é precisamente no fim do século XIII que surgem os primeiros relógios mecânicos na Europa. Mais exatamente em Inglaterra, em 1283, no priorado de Dunstable, em Londres. Outros apareceram nos anos seguintes: Exeter (Inglaterra), em 1284; Saint-Paul (Londres), em 1286; Canterbury (Inglaterra), em 1292. E muitos outros durante o século XIV.
Importa notar que o relógio mecânico é de origem estritamente ocidental. Nem a civilização islâmica nem a civilização chinesa avançaram por essa via. Problema tecnológico ou escolhas diferentes (tecnologia hidráulica para os chineses)?
O relógio é um instrumento de medição do tempo? Não vou repetir o caso da clepsidra. O relógio é, claro, tal como a ampulheta ou a clepsidra, um guardião do tempo. Podemos até dizer que é um marcador do tempo: pouco importa a duração da hora, o que se pede ao relógio é que diga que horas são.
O relógio é um instrumento de interesse? Oh, sim. Mil vezes sim. O aparecimento do relógio é, muito provavelmente, o grande acontecimento técnico da Idade Média. E, na minha opinião, por várias razões.
Não pela precisão, porque nesse ponto as clepsidras e os relógios de sol eram melhores. Os primeiros relógios mecânicos «batem mal» e era preciso acertá-los várias vezes ao dia... pelo relógio de sol, sob pena de perderem quase uma hora por dia.
Não pela majestade e pelas duas ponteiros no alto dos campanários, das catedrais ou dos beffrois. Simplesmente porque os primeiros relógios estavam longe de ter chegado ao topo das torres. Limitavam-se aos conventos. Mais tarde, aos andares baixos das igrejas. E só muito depois ao alto das torres. Tudo porque ainda não tinham mostrador. E, aliás, quem saberia lê-los numa população composta em 95% por camponeses?
Já agora, porque é que o 4 dos relógios aparece como IIII e não IV? Talvez porque IV e VI se podem confundir quando a leitura é... limitada.
E quando finalmente tiveram mostrador, a sua imprecisão continuava a contentar-se com um único ponteiro.
Mas então, para que serve um relógio sem mostrador e sem ponteiros? Muito simplesmente para alertar, como um despertador, um tocador de sinos que tomava o lugar e fazia soar os sinos (lembra-se? Clock = cloche). Mais tarde, quando o relógio ganhou todos os atributos (mostrador, ponteiros) e subiu ao alto das torres, passou a ser servido com grande cuidado pelo governador do relógio, encarregado de o vigiar como a menina dos olhos. Vigiar, manter e ajustar ao Sol era o quotidiano dessas pessoas, alojadas no próprio campanário.
Chega de «não é por isso». Vejamos por que razão o aparecimento do relógio é um marco da Idade Média.
- Primeiro, porque representa a vitória das horas iguais sobre as horas desiguais.
Vimos nas páginas anteriores que instrumentos como a clepsidra ou o astrolábio davam horas desiguais, isto é, horas cuja duração variava com as estações: 80 minutos no verão, 50 no inverno, por exemplo. Com o relógio, apesar dos problemas de precisão, a hora passa a ter sessenta minutos e o dia 24 horas. Deixa de haver «a noite» e «o dia» como medidas separadas: passa a haver um dia de 24 horas de 60 minutos. Ponto final.
- Depois, porque abre caminho para uma laicização do tempo.
Até aos séculos XIII-XIV, o tempo pertence a Deus. E, por consequência, é assunto de padres e afins. Através dos tocadores de sinos, assistidos por clepsidras ou relógios de sol, pontua-se o tempo pelas horas de oração e ofício. Lembremos os relógios de sol canónicos vistos nas páginas anteriores.
Quando chega o relógio mecânico, ele começa por servir de despertador aos tocadores de sinos e depois, com o tempo, sobe ao campanário e cada um faz dele o que entende. A hora torna-se finalmente de todos. E, como acabámos de ver, passa a ser igual. E quando o relógio já não se limita a tocar as horas de oração, mas também as horas civis, a laicização chega ao auge.
É então que a hora de todos tende a tornar-se a hora de cada um. Simplificando, cada século marca uma etapa desta evolução. O século XVII leva-a para dentro de casa. O século XVIII coloca-a no corpo. O século XX põe-na no pulso.
A partir da Idade Média, passamos assim, ao longo dos séculos, de um «controlo clerical» para uma democratização da hora.
Ainda assim, não nos enganemos: não foi só a chegada do relógio que desencadeou este fenómeno. O relógio foi o instrumento. O clero já não era o único a pedir horas ou contagem de tempo na Idade Média. À medida que indústria e comércio se desenvolveram, surgiram necessidades de referências temporais específicas, tanto para cronometrar tempo de trabalho como tarefas concretas. Somando a isto as necessidades próprias das cortes reais e outras, percebe-se que o relógio chegou... em boa hora.
- Por fim, porque vai conduzir a uma deslocalização do tempo.
Não só a hora desigual desaparece, como a hora local também. Concedo que o processo demorou, já que em França isso só acontece em 1891 (ver estudo sobre as escalas do tempo). A chegada de meios modernos de comunicação, como o comboio, colocou o problema. A mecanização dos relógios deu resposta. Todos os relógios de França passaram a ser sincronizados pela mesma hora, a de Paris.
No Magasin Pittoresque de 1880, pode ler-se um artigo intitulado Unification de l'heure au moyen de l'électricité et de l'air comprimé.
No que toca aos relógios pneumáticos, lê-se: "... Já vários relógios a funcionar por este novo sistema, de que o Sr. Popp, de Viena, é o inventor, foram instalados em Paris... Um relógio central está disposto de tal forma que, sempre que o seu pêndulo marca o sexagésimo segundo de um minuto, ocorre um disparo que deixa passar ar comprimido para os reservatórios; este lança-se imediatamente pelos tubos da rede e insufla um fole colocado na sua extremidade. Ao insuflar, o fole levanta uma pequena alavanca que faz avançar um dente numa roda de sessenta, cada dente correspondendo a um minuto. A essa mesma roda está preso o ponteiro grande do mostrador, que avança um minuto...
Para instalar os primeiros quinze mostradores foram necessários dezoito quilómetros de tubos, e a rede foi montada de tal forma que todas as pessoas que habitam perto da canalização podem receber a hora em casa. Basta derivar do tubo central um pequeno conduto que leve a sua casa o ar comprimido fornecido pela administração."
Explicação resumida do funcionamento
Os relógios mecânicos têm quatro peças essenciais:
- Uma fonte de energia (peso, mola).
- Órgãos de transmissão, encarregados de transmitir a energia e calibrar em horas iguais o tempo dessa transmissão.
- Um escapamento, ou órgão distribuidor, que deixa escapar periodicamente a força motriz. Mais tarde, terá também a função de restituir ao órgão regulador (pêndulo) a energia perdida por amortecimento.
- Um órgão regulador ou oscilador, que transforma movimento irregular em movimento regular.
Também se podem acrescentar, eventualmente:
- Um sistema de indicação (mostrador, ponteiros).
- Um sistema de dar corda para renovar a fonte de energia.
A evolução dos relógios seguirá duas direções: miniaturização dos órgãos e melhoria da precisão do sistema regulador. Naturalmente, vamos concentrar-nos sobretudo na segunda.
Evolução
A melhor forma de seguir a evolução dos instrumentos é seguir uma ordem cronológica. Fique descansado: não vamos reler, mais uma vez, a cronologia do Quid que se vê repetida em muitos sites. Nesse caso, bastaria pôr um link para a fonte original, certo?
Os primeiros reguladores: o escapamento de foliot
Não sabemos quem o inventou nem a data exata do seu aparecimento, que pode situar-se no intervalo 1270-1330.
A propósito, não resisto a citar um trecho do excelente livro de Gerhard Dohrn-van Rossum, L'histoire de l'heure: "... O aparecimento do escapamento, que hoje é considerado uma inovação decisiva ou uma invenção que abriu novas vias, não emerge de forma clara na perceção da época. No máximo, é descrito como um fenómeno importante, mas enigmático. Em contrapartida, o aparecimento dos relógios de soneria é imediatamente notado e visto como um acontecimento técnico sensacional, com grandes consequências sociais".
Vejamos então como funciona este sistema, também chamado escapamento de verge ou escapamento de roda de encontro.
À esquerda, vista geral de um mecanismo com foliot. À direita, detalhe do escapamento de roda de encontro. Fotos gentilmente cedidas por Jean Claude Sulka, cujo site merece visita.
Na foto da esquerda em cima, à direita, vê-se a fonte de energia, constituída por um peso suspenso por um cabo enrolado num tambor. A parte da esquerda corresponde ao sistema de soneria.
Na foto de cima à direita, vê-se a parte de escapamento com foliot. O foliot é uma peça em forma de T, cujo eixo vertical (verge) é encimado por um travessão. Uma roda dentada (roda de encontro), solidária com o tambor motor, faz girar, por intermédio de uma palheta, a verge e o travessão até que outra palheta, que forma com a primeira um ângulo de cerca de 60°, bloqueie o movimento e inverta o sentido da rotação. A cada movimento, o foliot deixa escapar um dente da roda de encontro, daí o nome de escapamento. A duração da oscilação do foliot pode ser alterada deslocando pesos reguladores no travessão. Essa duração deve corresponder a uma norma temporal (minuto, hora...).
A palavra foliot deriva de folie e traduz esse movimento incessante de vai e vem do travessão. O nome aparece pela primeira vez na pena de Jean Froissart, poeta e cronista francês (1337-1404), num poema intitulado Li Orologe amoureus, de 1370.
O mecanismo de foliot não era exclusivo dos grandes relógios, como prova este relógio de tambor com foliot, com movimento inteiramente em aço. Anónimo, sul da Alemanha, cerca de 1550.
No seu livro, Gerhard Dohrn-van Rossum observa que, em 1931, J. Drummond Robertson foi o primeiro a supor que o escapamento de relojoaria poderia ter sido desenvolvido a partir de antigos sistemas repetidores de toque de sino. De facto, o sistema de soneria funciona de forma idêntica ao escapamento que vimos. Com uma diferença: o foliot é substituído por uma alavanca-martelo que bate no sino. Naturalmente, o movimento de soneria é mais rápido.
E Gerhard Dohrn-van Rossum explica como, na sua perspetiva, se desenvolveu o escapamento mecânico dos relógios: nos mosteiros, o uso de «despertadores» era comum. No século XIII, descobriu-se que, ao abrandar a oscilação do martelo do sino, aumentar-lhe a massa e torná-lo regulável, se podia obter um movimento de relojoaria estável. Porque não? Embora, em termos de estabilidade e precisão, ainda houvesse muito a melhorar.
Uma variante do escapamento de foliot
É a que Giovanni Dondi vai usar e descrever numa obra de 1365.
À esquerda, reconstituição fiel do relógio planetário (Astrarium) de Giovanni Dondi, visível no Museu Leonardo da Vinci, em Milão. O original desapareceu. À direita, esboço da armação inferior segundo um manuscrito da biblioteca do Eton College, Windsor.
No esboço da direita, vê-se na parte superior que o foliot foi substituído por uma roda horizontal com «cavilhas». Fica a questão de saber como se fazia a regulação deste mecanismo. Repare-se também na presença de um mostrador.
Mudança de motor
Por volta de 1450, a mola de aço aparece como fonte de energia.
Não confundamos aquilo a que vou chamar mola motriz com a mola que veremos mais tarde no sistema regulador.
A vantagem da mola face ao peso é o menor volume, que permite deslocar o relógio e miniaturizar o conjunto, tornando possível o relógio de interior ou de bolso.
Em contrapartida, tem uma desvantagem importante face ao peso: fornece uma força motriz decrescente à medida que se distende. Resultado: os primeiros relógios de mola eram ainda piores em precisão do que os relógios de peso.
Por isso, rapidamente surgiram dois sistemas para controlar esta irregularidade da força motriz. Na Alemanha, o stackfreed, que durou pouco. Em França, a fusée, usada durante muito mais tempo.
À esquerda, sistema com stackfreed. À direita, sistema com fusée. A substituição da corda por corrente, em 1650, deve-se ao relojoeiro genebrino Gruet.
- O stackfreed usa uma segunda mola que pressiona uma came encarregada de manter constante a força motriz.
- A fusée procura o mesmo objetivo. Compensa o enfraquecimento da tensão da corrente (que inicialmente era uma corda) aumentando o braço de alavanca e mantendo assim constante a força motriz graças à forma hiperbólica da fusée. Não lhe faz lembrar o sistema de mudanças das bicicletas?
Repare-se, de passagem, que todos os esquemas mostram parafusos como sistema de fixação das peças. Na verdade, os primeiros relógios (no sentido amplo) usavam cavilhas, e os parafusos só surgem por volta de 1550.
Revolução nos osciladores
É no século XVII que a precisão dos instrumentos melhora de forma decisiva, passando de desvios de 15 minutos para apenas alguns segundos. Uma precisão tal que o inglês Daniel Quare (1649-1724) acaba por acrescentar o ponteiro dos minutos ao mostrador no fim do século.
Sem cair no labirinto das técnicas de relojoaria, o nosso estudo sobre a evolução da precisão dos relógios mecânicos termina quando virmos esta «revolução dos osciladores».
Tudo começa em 1583, quando Galileu, segundo o seu primeiro biógrafo Vincenzo Viviani, formula a lei do isocronismo do pêndulo após observar o balanço de um lustre na catedral de Pisa: a duração de uma oscilação depende apenas do comprimento do pêndulo e não da amplitude do movimento.
Galileo Galilei (1564 - 1642)
Galileu dispensa apresentação, tentamos apenas fazer uma biografia que não ocupe páginas e páginas. Nascido em Pisa, este notável físico e astrónomo fez inúmeras descobertas em mecânica e astronomia.
Melhorou muito a luneta astronómica, tomou posição a favor da realidade do movimento da Terra, inventou um termómetro, a balança hidrostática e um compasso de proporção. Estabeleceu as leis da queda dos corpos. No que nos interessa aqui, descobriu as leis do pêndulo.
É em 1638 que publica a teoria do pêndulo e encarrega o filho de construir um relógio de peso e pêndulo concebido por ele. Infelizmente, o filho morre no ano seguinte.
Vê-se aqui o desenho feito por Galileu filho, sob ditado do pai, com base no qual deveria construir o relógio de pêndulo.
Entra então em cena Christiaan HUYGENS (1629-1695).
Christiaan Huygens (1629-1695)
Nasceu em Haia e fez os seus estudos científicos nas obras de Descartes, amigo do seu pai. Foi o primeiro a observar um satélite de Saturno (Titã), depois a rotação de Saturno e os seus anéis. Publicou as regras do choque elástico.
Foi membro da Academia das Ciências de Paris e da Royal Society de Londres. No que nos interessa, inventou o relógio de pêndulo e a mola espiral dos relógios de bolso.
Terá continuado os trabalhos de Galileu ou desenvolvido os seus em paralelo? Seja como for, em 1657 encarrega o relojoeiro Salomon Coster de construir um relógio de peso e pêndulo que rapidamente passará a chamar-se pêndulo.
O relógio de pêndulo de peso, tal como aparece no livro de Huygens, Horologium oscillatorium. Pode notar-se nesta gravura que o escapamento ainda é de roda de encontro, o que obriga a amplitudes de oscilação elevadas e prejudica o isocronismo.
As duas lâminas servem para corrigir variações do período das oscilações do pêndulo, cujo período é ajustado por um peso cursor móvel ao longo da haste. Será preciso esperar por 1671 e pelo relojoeiro William Clement para surgir a «âncora de recuo», a partir de uma ideia de Robert Hooke. Ela permitirá oscilações de 4 a 5° em vez dos 40° no relógio de Huygens e realizará muito melhor o isocronismo.
Dezoito anos depois, em 1675, Huygens inventa o primeiro relógio de mola espiral, executado por Isaac Thuret, um dos melhores relojoeiros de Paris. O órgão regulador era um balanço (não confundir com o das pendulares), uma pequena roda metálica acoplada a uma mola fina de aço em espiral, que atuava sobre ele como a gravidade sobre um pêndulo.
Nos anos e séculos seguintes, relojoeiros e inventores dedicaram-se a melhorar os movimentos criados e outros: escapamentos, sonerias, sistemas de corda, qualidade dos materiais, resistência às variações de temperatura... Mas isso já ultrapassa os limites deste estudo e também os das minhas competências. Para uma cronologia completa de relógios e relógios de pulso, remeto-o para o Quid.
Quartzo, oscilador moderno
Em 1880, Pierre e Jacques Curie descobrem o efeito piezoelétrico: quando se aplica tensão mecânica a certos cristais (incluindo o quartzo), surgem cargas elétricas na superfície.
Basta então pôr um cristal de quartzo numa caixa, dar-lhe uma pancada (no quartzo, não na caixa) e recuperar as cargas elétricas para ficar tudo resolvido... Opa, enganei-me! Estamos a construir um isqueiro, não um relógio. Acabámos de aplicar o efeito piezoelétrico direto.
É preciso esperar por G. Lippman para evidenciar o efeito piezoelétrico inverso: os cristais deformam-se quando submetidos a um campo elétrico. Se essa «excitação» do quartzo for permanente, ele vibra numa frequência muito estável, própria dele, que depende da sua dimensão. Basta contar as vibrações e convertê-las na unidade de tempo desejada (por exemplo, o segundo). Nasce assim o ressonador de quartzo.
Nos relógios, a frequência é em geral de 32 768 Hz. Um circuito integrado divide essa frequência por 2, quinze vezes seguidas, e obtemos o nosso segundo.
Quanto à precisão desse oscilador: 1/1000 de segundo em 24 horas. Convenhamos, é bastante melhor do que o nosso foliot do início, não é?
Os primeiros relógios de quartzo surgem em 1929-1930, e o seu tamanho não ficava nada atrás dos primeiros relógios de torre. O primeiro relógio de pulso de quartzo com ponteiros aparece em 1967 e o relógio digital nasce em 1971.
Se procurar o quartzo no seu relógio, não encontrará algo parecido com a imagem da esquerda, mas sim algo como a segunda imagem. Só lhe resta abrir a caixa para encontrar a lâmina de quartzo. Depois disso, não garanto nada sobre o bom funcionamento do relógio...
Relógios atómicos
Com os relógios atómicos, passamos para uma precisão extrema, da ordem de um segundo em cerca de 3000 anos.
Claro que estes relógios não têm como destino a nossa lareira. Servem para medições muito precisas, entre elas fornecer o TAI (Tempo Atómico Internacional), de que falámos no estudo das escalas do tempo.
Não vamos entrar em detalhes de funcionamento. Basta saber que, desta vez, é o átomo que serve de oscilador, porque a sua frequência (mais precisamente, a sua mudança de estado) é ainda mais precisa do que a do quartzo. Existem outros, mas o átomo de Césio (Cs, para os íntimos) parece prestar-se muito bem ao papel de oscilador.
Em jeito de conclusão
Lembra-se da imagem da temperança, tal como Ambrogio Lorenzetti a representava em 1338?
No século XV, ela é representada assim num manuscrito conservado na Sächsische Landesbibliothek de Dresden.
Na época dos relógios atómicos, como deveria ela ser representada?