Da tempo immemorabile l'uomo cerca di misurare e rappresentare il tempo nel modo più preciso possibile. Le meridiane furono una prima soluzione ideale, perché la loro indicazione si basa sul vero direttore d'orchestra dello scorrere del tempo. Il problema: funzionano solo con il bel tempo. Geniale fu quindi l'idea di concedere agli orologi maggiore indipendenza grazie all'oscillatore.
Ideali per misurare il tempo: i movimenti del pendolo a frequenza stabile
Nel corso dei suoi esperimenti, nel 1632 Galileo Galilei constatò che per il periodo di oscillazione di un pendolo il peso è irrilevante e l'ampiezza dell'oscillazione secondaria. Quest'ultimo aspetto vale in particolare per le piccole oscillazioni. Determinante è invece la lunghezza del pendolo. Così, un esemplare lungo poco meno di un metro impiega un secondo per spostarsi da un lato all'altro.
A ciò si aggiunge che i movimenti del pendolo hanno una frequenza relativamente stabile, aspetto fondamentale per la misurazione del tempo. Chiunque può verificarlo di persona, perché l'altalena per bambini è un'interpretazione divertente del pendolo: la combinazione di sospensione e seduta stabilisce la frequenza con cui si dondola. Qualsiasi tentativo di influenzarla in modo significativo è destinato a fallire. Galileo riconobbe l'importanza delle sue ricerche per gli strumenti di misurazione del tempo, senza tuttavia approfondire l'idea.
Cuori della storia dell'orologeria: pendolo a gravità e bilanciere
Christiaan Huygens si ispirò alla legge del pendolo di Galileo e scoprì che un oscillatore negli orologi deve essere concepito in modo da poter sviluppare a lungo e in maniera costante la propria oscillazione naturale. Di conseguenza progettò il pendolo a gravità nella forma che conosciamo ancora oggi e nel 1657 fece costruire il primo orologio a pendolo. L'astronomo si rese conto che il suo concetto era adatto solo a orologi a colonna fissi. Si dedicò quindi a una ruota montata in modo girevole, pronta per il mercato nel 1674. Da allora questo cosiddetto bilanciere funge da oscillatore negli orologi che si desidera utilizzare indipendentemente dalla posizione. Grazie a materiali, utensili e tecniche migliorati, il componente fu miniaturizzato fino a poter essere alloggiato negli orologi da polso.
Gli intenditori sanno che, a rigore, l'invenzione di Huygens è composta dal corpo oscillante montato in modo girevole e da una molla a spirale, con cui si regola la frequenza di oscillazione. Un sistema oscillante di questo tipo si chiama oscillatore. Il termine tecnico è in uso anche per i classici pendoli degli orologi, poiché anch'essi riuniscono in sé diverse funzioni di un sistema oscillante.
Oscillatori che si lasciano influenzare a malapena
L'obiettivo principale dell'orologeria è riprodurre l'ora ufficiale nel modo più preciso possibile. Rivoluzionario, nel XVII secolo, fu il fatto che l'orologio a pendolo di Huygens accumulasse scarti di soli 10 secondi al giorno. Gli inventori, però, non se ne accontentarono. Sperimentarono corpi oscillanti come i pendoli di torsione, grazie ai quali gli orologi a pendolo rotativo raggiunsero enormi riserve di carica. Grandi progressi nell'ottimizzazione del materiale degli oscillatori arrivarono oltre 80 anni fa con la lega speciale Nivarox. Temperatura, resistenza dell'aria o umidità: quanto più efficacemente si contrastavano gli influssi esterni, tanto più precisi diventavano gli orologi.
Agli orologiai più ambiziosi fu inoltre presto chiaro che aumentare la frequenza giova alla precisione. Ciò vale in particolare per gli orologi da polso, esposti a influssi come gli urti. L'obiettivo era dunque chiaro: integrare negli orologi oscillatori ad alta frequenza il più possibile, al tempo stesso piccoli e con ampiezze ridotte.
Minuscoli prodigi di frequenza: oscillatori a diapason negli orologi
Negli orologi da polso meccanici si ottengono oggi dal bilanciere da 18.000 a 36.000 alternanze all'ora. Ciò corrisponde a frequenze da 2,5 a 5 Hertz (Hz). Le maison di tradizione continuano ancora oggi a far progredire la misurazione meccanica di precisione del tempo. Lo dimostrano, tra gli altri, gli orologi Slimline di Frederique Constant, che al loro debutto nel 2021 impressionarono con una frequenza di 40 Hz.
Questo aumento di frequenza è notevole nel segmento della regolazione meccanica. Rispetto a leggende visionarie dell'orologeria, però, appare contenuto. Nel 1921 Max Hetzel ebbe l'intuizione di proporre oscillatori a forma di diapason. Ci vollero quarant'anni prima che il concetto fosse pronto per il mercato e caratterizzasse l'Accutron di Bulova. Questa impressionava con una frequenza di oscillazione di 360 Hz, che riduceva gli scarti a 60 secondi al mese. L'orologio a diapason ad azionamento elettrico vendette milioni di esemplari, ma fu presto soppiantato dall'innovazione successiva.
Oscillatori veloci al quarzo
Nel 1880 Jacques e Pierre Curie scoprirono che nel cristallo di quarzo una deformazione elastica sposta i poli elettrici, generando una tensione elettrica. Al contrario, i cristalli si deformano quando sono sottoposti a una tensione elettrica. Questo fenomeno si chiama effetto piezoelettrico e spiega perché il cristallo di quarzo venga utilizzato come oscillatore negli orologi: oscilla ad alta frequenza, a vantaggio della precisione di marcia, occupando poco spazio. Nel 1928 Warren Marrison presentò un orologio al quarzo funzionante. Dieci anni dopo i laboratori poterono acquistare i primi orologi di precisione al quarzo.
L'orologio da polso al quarzo
Le prestazioni dei quarzi oscillanti aumentarono quando, a causa della scarsità di cristalli naturali, si passò alla produzione sintetica a partire dalla sabbia di quarzo. In questo modo fu possibile influenzare la struttura del cristallo, rendendola ad esempio insensibile alla pressione e stabile alla temperatura. Furono superate ulteriori sfide, finché all'inizio degli anni '70 furono presentati orologi da polso al quarzo pronti per la produzione in serie. Furono accolte con applausi debuttanti dotate di oscillatore nato in laboratorio, come il Seiko Astron, l'Astro-Quartz di Junghans o l'orologio Hamilton Pulsar.
Sorprendente fu per gli appassionati di tecnica che i primi orologi di lusso al quarzo sfiorassero con la loro frequenza di oscillazione la soglia dei 10.000 Hertz. Poco dopo, miglioramenti concettuali e considerazioni pratiche portarono a definire come standard i quarzi oscillanti a forma di diapason da 32.768 Hz. Se abbinati a un'elevata competenza produttiva del costruttore, gli scarti si limitano a 60 secondi all'anno. Per fare un confronto, gli orologi di lusso meccanici vengono già celebrati quando il loro scarto di marcia si limita a 2 secondi al giorno.
Al di fuori degli orologi da polso, il quarzo come oscillatore è superato soltanto dall'elemento chimico cesio, che caratterizza l'orologio atomico convenzionale. Il suo sviluppo prese slancio quando, nel 1940, si ottennero conoscenze sul metodo della risonanza magnetica fondamentali per la tomografia a risonanza magnetica. Sensazionale era il suo ridottissimo margine d'errore, pari a un secondo in 30 milioni di anni. L'orologio al cesio, che tra l'altro contiene anch'esso un quarzo, è oggi superato dagli orologi atomici a impulsi di luce laser. Il loro scarto di marcia è di un secondo in 100 bilioni di anni.
Nessuna prestazione convincente senza un insieme perfetto
Ogni oscillatore viene frenato dallo smorzamento. Ha quindi bisogno di energia per entrare e restare in movimento. A fornirla provvedono pesi, molle o batterie. Senza un'altra geniale invenzione per il movimento, l'apporto di energia andrebbe semplicemente disperso: lo scappamento. Solo in sinergia con numerosi componenti gli oscillatori diventano organi regolatori, i cui impulsi trasmessi corrispondono a un secondo. Pendolo, bilanciere e quarzo oscillante: la loro qualità si rivela solo quando tutti i componenti sono eccellenti di per sé e perfettamente armonizzati tra loro. Oscillatori di vario tipo si trovano quindi sia negli orologi da polso meccanici sia in quelli al quarzo, anche se profondamente diversi.
A cosa serve l'oscillatore negli orologi?
Questa domanda riceverebbe una risposta insufficiente se ci si limitasse alle oscillazioni. Con le sue ampiezze ricorrenti, l'oscillatore non solo mantiene in movimento gli orologi, ma ne controlla anche il funzionamento. Per questo gli orologiai lo chiamano anche organo regolatore.
