Meccanica dell'orologio

Fin dall’antichità, per motivi sia pratici sia astrologici e astronomici, vennero costruiti strumenti per segnare il tempo impiegando vari sistemi: la clessidra di sabbia, la meridiana, le candele, e molti altri. Solo verso il 1250 vennero realizzati i primi orologi, perfezionati durante i secoli a venire e in particolare tra il diciassettesimo e il diciottesimo secolo, quando verranno introdotte le tecnologie che troviamo anche negli orologi meccanici odierni.

La tecnica

Per spiegare meglio le evoluzioni tecniche avvenute tra seicento e settecento, periodo d’oro per la meccanica degli orologi, esponiamo brevemente il funzionamento di un orologio indicandone le componenti base. La perfezione nell’indicare il tempo trascorso si deve a tante variabili e conoscenze, non solo matematiche ma anche metallurgiche, fisiche e chimiche per l’utilizzo dei vari materiali che compongono un meccanismo.

Agli inizi gli orologi erano di grandi dimensioni. L’energia per farli funzionare veniva accumulata con dei pesi che, scendendo tramite forza di gravità, facevano girare gli ingranaggi. I primi meccanismi in ferro erano così rozzi che occorrevano pesi enormi per metterli in funzione: ce n’erano alcuni di ben 500 Kg!

A destra vediamo il disegno di un antico orologio. Il meccanismo è azionato da un peso arrotolato a un cilindro che per forza di gravità scende in basso facendo ruotare gli ingranaggi.
Gli ingranaggi moltiplicano la velocità di rotazione fino alla ruota dentata verticale, che viene bloccata nell'avanzamento dal volano orizzontale in alto. Questo volano, tramite verghe, blocca a scatti la ruota dentata e dà il ritmo all'orologio, impedendo che in breve le ruote girino a vuoto fino allo srotolarsi della corda trainata in basso dal peso. Il volano quindi gira spinto dalla ruota dentata, ma frena e regola il moto degli ingranaggi.

Lo scappamento

La forza che dà il moto agli ingranaggi deve essere regolata affinché non si disperda velocemente e dia un moto regolare alle lancette. Lo scappamento svolge questa essenziale funzione, regola la velocità e dà il ritmo all’orologio: senza questo meccanismo gli ingranaggi girerebbero fino ad esaurire la forza che li spinge.
Il primo tipo di scappamento utilizzato è detto "a verghe" e risale al 1275 circa: è costituito da una ruota con un bordo dentato e rialzato, simile ad una corona, e da un albero ortogonale all'asse e trasversale al bordo della corona, dotato di due palette (verghe). Le due verghe si trovano in corrispondenza di due denti diametralmente opposti della corona e sono angolate tra loro. Dapprima una verga si inserisce su un dente della corona, bloccandola e ricevendone una spinta in senso inverso. Girando il volano inserisce l’altra verga sul dente diametralmente opposto, permettendo l'avanzamento di uno scatto della corona e ricevendo una nuova spinta in direzione opposta.
L'arresto e la ripartenza dell'albero dà il ritmo all’orologio e la perfezione delle proporzioni tra i meccanismi determina la precisione. Lo scappamento a volano (come in figura) è poco efficiente e richiede molta energia per vincere l'inerzia, per cui questo sistema richiede ingranaggi robusti ed è molto rumoroso, senza contare l’usura delle parti che si scontrano.

Scappamento ad àncora

Inventato dal fisico Robert Hooke nella seconda metà del seicento, rappresenta una evoluzione dello scappamento a volano: è differente per il fatto che le verghe non si incastrano sulla corona bloccando l'asse, ma semplicemente si ingranano in essa. L'ingranaggio può essere appiattito, con l'àncora che oscilla lateralmente sullo stesso piano. Il movimento dell'ancora è limitato, così come l'effetto dell'inerzia. In questo modo gli ingranaggi potevano essere più leggeri, economici e durevoli.

Scappamento a cilindro

Verso il 1700 l’inglese Graham inventa lo scappamento a cilindro: in funzionamento scappamento ne viene mostrato il funzionamento. Questo sistema migliora ulteriormente il meccanismo rendendolo più scorrevole. A differenza del sistema ad àncora, il dente avanza liberamente senza agire sulla ruota e lo scappamento rimane fermo (si usa per questo il termine punto morto). Il pendolo viene spinto solamente per un breve periodo, dipendente dalla forma del dente. Questo è il primo scappamento che separa le due funzioni di avanzamento del moto e di alimentazione del pendolo.

Oltre a questi vi sono altri tipi di scappamenti: i link qui sotto ne mostrano il funzionamento.
Scappamento di Graham - Scappamento a gravità - Scappamento a Grassopher inventato da Harrison

Il pendolo

Come abbiamo visto, il meccanismo dello scappamento è determinante per dare costanza al moto degli ingranaggi; ma questa costanza deve risultare da un meccanismo che blocchi lo scappamento e lo faccia avanzare in modo regolare. Il sistema più congeniale adottato negli orologi moderni è il pendolo: Galileo Galilei aveva intuito che l'oscillazione del pendolo, a prescindere dalla sua ampiezza, ha una durata quasi costante. Fino all’avvento del quarzo questo sistema si è rivelato funzionale, per quanto non perfetto. Si parla infatti di errore circolare: La massa del pendolo si muove lungo un percorso circolare e quindi in ogni momento una componente delle forze applicate ad esso non è direttamente proporzionale allo spostamento bensì al seno dell'angolo dello spostamento stesso. Di conseguenza, all’aumentare della variazione dell'angolo di oscillazione, il pendolo accelererà e quindi la sua capacità di tenere correttamente il tempo sarà compromessa.

L'errore circolare aumenta con l’aumentare dell'angolo di oscillazione: di qui la necessità di mantenere il suddetto angolo più basso possibile.
A individuare per primo questo problema fu l'olandese Huyghens, il quale scoprì anche che l'oscillazione del pendolo è isocrona se il centro di oscillazione del pendolo si muove lungo una curva cicloidale. Un movimento isocrono avviene quando a tempi eguali corrispondono spostamenti eguali. Si chiama curva cicloidale il luogo dei punti generato da un punto di una circonferenza che ruota attorno al suo centro con velocità costante lungo una linea.

A questi problemi se ne aggiungono altri, come la temperatura e la pressione atmosferica, ma con l’introduzione del pendolo di Huyghens il margine d’errore si ridusse sensibilmente da 15 minuti al giorno a quindici secondi.

Il bilanciere

Nel 1675 Huyghens, per ovviare al difetto maggiore del movimento a pendolo e cioè di non poter esser trasportato senza “perdere” il tempo, ideò il bilanciere che sostituisce proprio il pendolo nel regolare l’avanzamento dello scappamento. L’idea è semplice: sostituire al pendolo una ruota, alla quale è attaccata una molla che fa ruotare a senso alternato la ruota stessa nell’avanzamento dello scappamento. Al movimento alternato del pendolo si sostituisce quello della ruota a molla.

Nella figura a sinistra vediamo che la ruota, bloccata da una molla che la fa oscillare alternativamente, non compie un giro completo ma parziale, corrispondente al numero dei denti che fanno girare il piccolo ingranaggio. Questa ruota è dotata di un certo peso esterno che dà al moto una forza inerziale, come avveniva nel pendolo con il peso posto in basso.

Storia dell'orologio  - Tecnologia dell'orologio

Orologi del periodo barocco Orologi da tasca del settecento