¿Por qué se desajustan los relojes de cuarzo?

Todos en nuestra vida, hemos comprado un bonito reloj al que con gusto le colocamos la pila y colgamos en alguna pared de nuestra linda casa, ¡seguro que lo haz hecho!. Al pasar algunos meses, hemos visto que la hora ya no coincide con la de nuestro teléfono celular y procedemos a reajustarlo. Vuelve a pasar el tiempo y otra vez, total que es un cuento de nunca acabar.

¡Averiguémos por qué sucede esto!

 

Comenzaremos diciendo que los relojes de pared o de pulsera, normalmente, funcionan a base de un oscilador de cristal, el cual es, un circuito eléctrico que produce a su salida una señal repetitiva (normalmente senoidal o cuadrada), esto gracias a que se aprovecha el efecto piezoeléctrico que poseen algunos materiales, en específico los cristales.

 

¿Qué es el efecto piezoeléctrico?

Es la capacidad que tienen ciertos cristales de generar una diferencia de potencial (voltaje),  al ser sometidos a  deformaciones mecánicas, o viceversa, si aplicas una diferencia de potencial al material, este se deforma, recuperando su forma original al desaparecer la diferencia de potencial aplicada.

Al aplicar una fuerza mecánica que deforma su masa se produce un a polarización en sus caras genrando una diferencia de potencial. Imágen Wikipedia

Este efecto seguro que los has visto en los encendedores de cocina el cual, al presionar un botón genera una chispa y sale el gas encendiendo una pequeña flama la cual ayuda a encender la estufa.

 

Ahora que ya sabemos que es ese efecto, ¿cómo se manifiesta en  los relojes?, pues el cristal de cuarzo que contienen en su interior los relojes, es el  corazón, ya que este,  al aplicarle la tensión de la pila, genera una señal a su salida que sirve como Base de Tiempo generando de esta forma y con ayuda de un Divisor de Frecuencia, los segundos, los minutos y las horas que requerimos para contabilizar el tiempo.

A lo largo de la historia, se han usado diferentes métodos para generar bases de tiempo y hacer funcionar relojes, por ejemplo las más comunes y usadas son, el patrón de red, el diapasón, emisora patrón, el atómico y obviamente el cuarzo,

Todas éstas,  funcionan de diferente forma,  por ejemplo, los relojes de patrón de red, utilizan la frecuencia de la red eléctrica (60Hz o 50Hz) para que sirva como señal de alimentación del divisor de frecuencia,  el atómico que utiliza la frecuencia de resonancia de los átomos de algunos elmentos químicos o el de cuarzo que como ya vimos hace uso de efecto piezoeléctrico para generar una señal periódica.

Bueno a grandes razgos, es así como funciona el “corazón” de un reloj. Pero ahora veamos que puede afectar su funcionamiento.

 

Osciladores de cristal de cuarzo de diferentes frecuencias y encapsulados

 

 

Lo que es real no puede ser perfecto. . .

Los relojes de cuarzo, tuvieron su auge en la década de los 70´s, cuando Seiko lanzó al mercado, el  Quartz-Astron 35SQ, el primer reloj de pulsera, disponible para todo el público, y garantizaban que sólo tenía un error de atraso de 5 segundos al mes.
A partir de eso, se comenzaron  a fabricar relojes de precios mucho más bajos en cantidades asombrsas, lo cual ocasionó que los osciladores de cuarzo, así como sus circuitos electrónicos necesarios, carecieran  de calidad en los procesos de fabricación, siendo esto, un factor determinante en margen de error de los osciladores. Salvo los de gamas medias y altas de empresas especializadas como Seiko, en las cuales, el control de calidad es asombroso.

Cabe decir, que los osciladores de cuarzo como parte del mundo real, se ven influenciados por muchos factores, los cuales aunados a una calidad baja de fabricación, pueden conseguir amplificar resultados no deseados, produciendo modificaciones a la frecuencia de oscilación de los cristales y con esto los atrasos en el tiempo.

La temperatura, es uno de los principales problemas a los que se enfrenta un oscilador de cuarzo, si bien es sabido que actualmente es mínima la afectación, sigue perturbando el correcto funcionamiento, lo cual hace que haya en desfase en el tiempo con respecto a un patrón. Un oscilador con una variación de frecuencia de 5 partes por millón (ppm) por grado Celsius, podría experimentar un desplazamiento de frecuencia de 25 ppm con sólo un aumento de temperatura de 5 ° C. Como ya lo dije, es mínimo pero al fin y al cabo existe un error.

Golpes, aplicarle una fuerza repentina a un oscilador puede deformar temporalmente la estructura del cristal produciendo así una alteración a la frecuencia de oscilación. Un golpe, podría llegar a afectar la frecuencia en 1 x10 ^-9  por cada G que represente dicho acontecimiento.

La vibración, pues estos pueden estar sometidos a movimiento constante, debido a su posición en el cuerpo, generando un estrés en el cristal, pudiendo llegar a afectar si es de larga duración de igual forma que un golpe.

El paso del tiempo, no es lo mismo un oscilador recién fabricado que un un oscilador con 10 años de trabajo. Al haber mecánica en su funcionamiento, este va sufriendo alteraciones a su estructura que poco a poco van a pasando la factura cobrandonos unos cuantos segundos con respecto al patrón de tiempo.

Otros factores que pueden llegar a alterar nuestra hora del reloj son: la gravedad y ruido electromagnético auqnue parezca sorprendente.

Alteración de la frecuencia con respecto al tiempo, debido a factores externos

¿Qué podemos hacer ante esta situación?

Con respecto al cuarzo, nada, pero si se puede evitar que haya tantos atrasos y que todos tengamos una diferente hora (aunque por segundos o minutos).

Con la llegada del internet  y de los dispositivos inteligentes, aparecieron muchos protocolos para diferentes áreas y temas del tiempo no se quedaron atrás, pues es algo vital, imaginen que no estén sincronizados los temporizadores de ignición en un lanzamiento espacial, resultaría en un caos total. Para evitar todo esos posibles problemas, se creo en protocolo NTP [Network Time Protocol], ¿ has notado que la hora en tu smartphone y en tu laptop son iguales siempre?. ¡Pues es gracias al NTP!.

El protocolo NTP, fue desarrollado para “trasferir el tiempo” a través de Internet y mantener sincronizados en tiempo, procesos críticos. Tiene usándose más de 25 años en el mundo informático. Inicialmente desarrollado para Unix.

Con este protocolo todos tus dispositivos conectados a una red con acceso a internet y que soporten dicha especificación pueden estar sin problemas con la misma hora, disminuyendo de esta forma, los errores en el tiempo entre dispositivos, ya que en muchos procesos, se requiere conocer el TimeStamp para poder realizar acciones, por ejemplo, en las auténtificaciones de clientes de bancos que usen OTP basados en tiempo. Los tokens, están sincronizados con un servidor y mediante el algoritmo de encriptación asignado sobre el TimeStamp, generan la nueva clave que te permitira validar los datos y acceder al servicio.

Esquema básico del protocolo NTP

Tu operador de red celular,  también actualiza la hora de tu celular, enviando la marca de tiempo cada X tiempo para manterlo al segundo, basándose en un sevidor NTP “alimentado” por algún reloj atómico,  el cual mantiene con precisión la hora.

Como pudimos ver, conocer el tiempo y mantener una sincronización es de vital importancia para la vida diaria. En otra entrada profundizaremos en el protocolo NTP.

¡Hasta luego!

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