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Arduino: ciò che era impossibile ora è alla portata...

Agosto 31, 2018 Commenti (0) Ingegneria, Ingegneria Meccanica Tempo di Lettura:

I più belli sono i meno precisi?

Quando si parla di orologi ci sono dei marchi che chiunque riconosce come i migliori produttori al mondo sia per estetica sia per precisione costruttiva – Rolex, Omega, Breitling solo per citarne alcuni di lusso e molto popolari nel mondo delle celebrità. Vi è anche però una grandissima parte del mercato “consumistico” in cui primeggiano Casio, Swatch ed altre che producono degli orologi sicuramente meno prestigiosi ma molto più accessibili al grande pubblico, in termini soprattutto economici.

Sebbene molto spesso gli orologi di lusso siano delle vere opere d’arte e di precisione meccanica, gli orologi di basso costo sono generalmente più resistenti e più precisi dei loro “zii ricchi”. Sì, non è un errore: sono, sul lungo periodo, più precisi.

La differenza sta nella modalità che un orologio utilizza per scandire il tempo, ovvero il meccanismo che viene sfruttato.

Gli orologi di lusso (o comunque di fascia medio-alta) sfruttano normalmente dei ruotismi, chiamati “in gergo” movimenti che si distinguono in meccanici ed automatici. Nati diversi secoli fa, sono stati incessantemente sviluppati. La loro caratteristica peculiare è che non necessitano di batteria, come vedremo più avanti.
Gli orologi di “fascia bassa” invece montano normalmente un particolare tipo di movimento, detto al quarzo, che è radicalmente diverso dai precedenti, in quanto sfrutta l’energia elettrica fornita da una batteria.

Tra i due tipi, nella stragrande maggioranza dei casi i più duraturi, resistenti e precisi sono gli orologi con movimento al quarzo.

Cerchiamo di capire perché.

Il movimento al quarzo

Questo movimento fa la sua prima apparizione in applicazioni particolari e civili, come ad esempio l’impiego nell’osservatorio di Greenwich fin dal 1939, ma è intorno agli anni settanta che si afferma sul mercato degli orologi da polso, con il Seiko Quartz 35SQ Astron del 1969 che fu il primo prodotto in larga scala.

Le parti costituenti un orologio al quarzo sono quelle visibili in figura:

Dettaglio di un orologio al quarzo.

Il componente responsabile della misura del tempo è il cristallo di quarzo (5). Questo è un materiale piezoelettrico, cioè è un componente che vibra ad una propria frequenza caratteristica quando viene sottoposto ad una corrente elettrica. In particolare, il cristallo di quarzo vibra alla frequenza di \(32768\) \(Hz\), ovvero \(2^{15}\) \(Hz\), e lo fa in modo perfettamente regolare con praticamente nessuna influenza esterna grazie anche alla protezione entro cui è montato detta “cilindretto”.

Questa vibrazione molto rapida viene letta da un circuito oscillatore (4) che ha la doppia funzione di inviare il segnale elettrico al cristallo e di dividere la risposta dello stesso in 15 parti per ottenere esattamente 1 impulso elettrico al secondo.

Questo impulso è molto debole e viene quindi inviato all’amplificatore (3), che permette di ottenere un segnale sufficiente all’azionamento del motore passo-passo (2).

Qui lo statore, diviso in due parti, viene attraversato da questo impulso in maniera che ognuna delle parti che viene attivata faccia compiere mezzo giro al rotore (8) contenuto al suo interno, cosicché il rotore possa compiere 1 giro completo al secondo.

Il treno di ingranaggi (1) permette poi di segnare, oltre ai secondi, anche i minuti e l’ora.

Si può intuire l’enorme precisione di questi sistemi: il circuito elettrico non risente di dinamiche particolari indotte dal polso della persona che indossa l’orologio, come pure il cristallo di quarzo che si muove con una frequenza molto superiore a quella di qualsiasi fenomeno perturbativo si possa incontrare quotidianamente. Inoltre, la corrente richiesta da questo circuito per poter essere azionato è veramente irrisoria, cosa che permette a questi orologi di segnare in maniera esatta l’ora anche per anni.

Il movimento meccanico

Come dice il nome stesso, gli orologi che montano questa soluzione si affidano alla sola energia meccanica di una molla contenuta al loro interno. Il rilascio di tale energia in maniera regolare consente di avere una buona misurazione del tempo. E’ evidente come, non richiedendo elettricità, la loro invenzione sia ben anteriore a quella dei movimenti al quarzo, con un’applicazione per gli orologi da polso sin dal XIX secolo.

In questa figura è possibile vedere tutte le parti costituenti del movimento meccanico:

Schema movimento meccanico.

Ciò che rende possibile scandire il tempo è il sistema molla/bilanciere – pendolo – ruota di scappamento.

Il sistema funziona in questo modo: tramite la corona si avvolge la molla di carica contenuta nel bariletto (3). Questa molla è collegata al treno di ingranaggi delle lancette (4) (5) (6) (7); a loro volta, queste sono collegate alla ruota di scappamento (8); da qui, si passa al pendolo che interagisce con il bilanciere (9). Una volta che la molla viene caricata, la potenza viene rilasciata, controllata dal sistema bilanciere, pendolo e ruota di scappamento, che mantiene tutto il sistema in movimento per circa 40 ore secondo lo scorrere del tempo come lo intendiamo comunemente.

Il movimento automatico

Simile al precedente, questi orologi vengono ricaricati col semplice movimento del polso di chi lo indossa: se portati regolarmente, questi possono mantenere l’ora esatta teoricamente per sempre – a patto che si sia sempre in movimento.

Ciò che li differenzia rispetto ai precedenti è la presenza di un secondo bilanciere, collegato alla molla di carica, che ha lo stesso scopo della corona nei movimenti meccanici. Il movimento del polso della persona che lo indossa fa oscillare questo secondo bilanciere e permette di immagazzinare energia potenziale nella molla.

Bilanciere secondario di un orologio automatico (IWC Schaffhausen).

Le differenze

Come ormai si sarà intuito, ciò che rende più precisi, affidabili e duraturi gli orologi al quarzo rispetto agli ultimi due movimenti è la presenza del circuito elettrico, che fornisce una durata e regolarità ben superiore, sul lungo periodo, a quella che si può fornire con mezzi diversi.

Esempio di orologio di “fascia alta” con meccanismo a vista.

Un ipotetico orologio meccanico di elevato pregio e precisione costruttiva è in grado di mantenere l’ora esatta per una quarantina di ore, cominciando a perdere qualche secondo (da 6 fino anche a 40) via via che la molla si scarica. Un orologio al quarzo, invece, continuerà per anni a fornire l’ora esatta senza perdere nemmeno un secondo.

Ma allora perché tanta differenza di prezzo?

La caratteristica degli orologi di alta fascia, che può giustificare l’elevato costo degli stessi, risiede nel fatto che questi sono ancora prodotti “artigianali”. I componenti, anche se prodotti con processi industriali (molle di carica, ingranaggi, ecc), sono lavorati con tolleranze molto strette e vengono assemblati a mano dai abili orologiai. Un’altra caratteristica è la presenza dei rubini e degli zaffiri che vengono utilizzati come perni per calettare gli ingranaggi del movimento. Tale scelta, oltre che per motivi estetici, è dettata dal fatto che questi “gioielli” (come vengono chiamati in gergo) presentano un attrito bassissimo e quindi un’usura molto contenuta.

Oltre alla raffinata produzione, un’altra giustificazione è quella di mantenere questi oggetti associati ad un certo status sociale, creando una sorta di nicchia di mercato per pochi compratori.

Riferimenti

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