Orologio atomico, come funziona e perché è preciso

Infranta un’altra barriera alla ricerca della precisione assoluta.

Tutti gli addetti ai lavori si sono trovati prima o poi di fronte alla delusione di qualche utente che lamenta come scarsa la precisione di 1’/2′ al mese in un orologio meccanico.

Dopo l’avvento del quarzo si fa fatica a spiegare che alcuni limiti sono pressoché insormontabili. Invalicabili perché soggetti alla Fisica. Il meccanismo è soggetto a variabili dovute alla temperatura, al movimento del polso, all’ambiente stesso in cui si staziona.

Questi limiti sono stati in gran parte superati dal movimento a quarzo, che basandosi principalmente sul principio “solide-state” genera propulsione in ambiente inattaccabile da agenti esterni.

Ma anche il quarzo è soggetto a interazioni. Dobbiamo considerare che la sua frequenza viene influenzata dalla temperatura. La taratura dei quarzi avviene in ambiente stabilizzato a 25° C. E ciò perché la curva termica di risposta della sua reazione ci indica che al di sotto e al di sopra di questa temperatura, il quarzo tende a diminuire la propria frequenza.

La regolazione viene consigliata in circa +0,07 centesimi di secondo al giorno. Perché STATISTICAMENTE questo è lo scarto che compensa la variazione di temperatura in un uso normale. Va da sé quindi che potremo avere risultati diversi da individuo a individuo anche solo in base alla posizione geografica in cui le persone si trovano.

Questo avviene perché alla base della precisione ci sta la base dei tempi. Le frequenze di base utilizzate attualmente per gli orologi da polso sono di 5 Hz. nei migliori meccanici, 32.768 Hz. nei quarzi tradizionali e 262.144 Hz. nei quarzi a oscillazione torsionale (Precision di Bulova). E più l’oscillazione e quindi la base dei tempi è costante, maggiore sarà la precisione.

L’orologio atomico

Per avere la massima accuratezza si ricorre quindi alla scienza delle micro-particelle. È nata da ciò l’idea di affidare l’ora ufficiale mondiale ad un orologio atomico.

Gli scienziati hanno scoperto che vi sono alcuni elementi che sono definiti stabili in relazione all’interscambio di energia tra le particelle sub-atomiche.

Si arrivò a determinare che il Cesio fosse il più appropriato. Attualmente infatti l’ora campione che stabilisce l’orario ufficiale nel nostro pianeta è dettata da un orologio al Cesio.

Ma la ricerca non si ferma. Si è scoperto che lo Stronzio presenta maggiore stabilità.

Come funziona

Il principio di base che genera la frequenza in un orologio atomico è abbastanza complicato. C’è di buono che lo sfruttamento di questa frequenza risulta abbastanza semplice nella sua traduzione in visualizzazione. Una volta in possesso di questa base dei tempi, la finalizzazione non si discosta molto da quella dei comuni orologi. Per cui possiamo leggere tranquillamente l’orario su un display.

Il vero problema, come anticipato è produrre una frequenza il più elevata possibile e stabilissima. Cicli praticamente perfetti.

Sappiamo che nel mondo dell’infinitamente piccolo ci sono costanti scambi di energia tra elementi. Solo in questo modo si garantisce la vita e il movimento ad ogni livello. Gli atomi si scambiano particelle, le legano tra loro, cedono energia continuamente gli uni gli altri. Nella stessa formula dell’acqua, H2O possiamo scorgere il legame di due atomi di idrogeno e uno di ossigeno che si “sposano” incrociando i propri elettroni. Creando un legame forte.

Spesso alcuni atomi cedo un proprio elettrone (che ha carica negativa) ad un atomo col quale si legano, rendendolo così di carica positiva. L’atomo modificato, sia quello che ha perso che quello che ha guadagnato l’elettrone, viene chiamato ione. Ione negativo il primo, ione negativo il secondo.

Allo stesso modo, eliminando un neutrone dal nucleo di un atomo, se ne può modificare la massa, senza interagire sulla carica elettrica, essendo il neutrone a carica neutra. In questo caso si dice che questo atomo è un isotopo della materia originaria.

I ricercatori si erano quindi concentrati su un isotopo del Cesio, ma alcuni loro colleghi, e precisamente un team della University of Colorado (Boulder) coordinato da Jun Yesi, si sono accorti circa due anni fa che in alcuni processi lo Stronzio 38Sr è più costante.

Come l’orologio atomico genera frequenza

La frequenza con cui lo Stronzio 38Sr genera energia è altamente costante. Si tratta infatti di cicli che se non rasentano la perfezione di puntualità poco ci manca. Sfruttando una base dei tempi così affidabile si avvicina praticamente una base che rappresenta quasi lo scorrere ininterrotto del tempo.

Generare le condizioni grazie alle quali si ottiene una cessione di energia del genere è ancora un po’ “ingombrante” e probabilmente dovremo aspettare decenni prima di iniziare a sognare un orologio atomico da polso.

Sta di fatto, però, che il grado di precisione che un orologio atomico 38Sr può garantire è dell’ordine di 1 secondo in 90 miliardi di anni. E ciò grazie ad una frequenza di 1 milione di miliardi di Hz. (10^15 = un biliardo). Una bella differenza rispetto ai 5 Hz. dell’orologio meccanico!

Il “giallo” del primo cronografo: Rieussec o Breguet?

Le dispute sull’attribuzione del merito.

È tuttora motivo di discussione l’attribuzione del merito circa l’invenzione del primo cronografo.

La misurazione del tempo circoscritta ad un determinato periodo, come quello che potrebbe essere una gara o un evento, ha costituito in passato una sfida probante per gli orologiai. Ancora ai nostri giorni non si è in grado di attribuire l’invenzione ad uno specifico personaggio.

Affrontando l’argomento va anticipato intanto che i termini con i quali si definiscono gli attuali “cronografi” sono piuttosto ambigui e certamente errati.

Il termine “cronometro” con il quale i non addetti ai lavori definiscono comunemente un segnatempo che può essere avviato e stoppato a richiesta è assolutamente scorretto. Il “cronometro”, ovvero “misuratore di tempo” è un qualsiasi orologio, meccanico, elettronico, elettrico oppure ad acqua o di qualsiasi altro genere.

Altra cosa è il “cronografo” il cui significato è “marcatore di tempo. In realtà questa definizione calzerebbe esclusivamente solo per alcuni misuratori. E precisamente per quelli che in qualche modo “segnano” il risultato della rilevazione su carta oppure o su altro supporto atto a ospitare una “grafica”.

Ne deriva, che seppure aulico e forse dal sapore anacronistico il termine corretto da adottare sarebbe “cronoscopio”, definendo in questo modo uno strumento in grado di visualizzare il tempo misurato su richiesta.

L’invenzione del “cronografo”

Torniamo però ora al problema dell’invenzione di quello che attenendoci alle moderne nomenclature continueremo a definire “cronografo”.

Nel 1821 il genio di Abraham-Louis Breguet (1747-1823) partorì il “cronografo d’osservazione con doppia lancetta dei secondi”. Si tratta in effetti del primo tentativo di determinazione della misura di un tempo parziale. Il prototipo però non si adattava facilmente, per esempio, all’uso sportivo, oppure a tutte quelle circostanze in cui il tempo rilevato potesse essere verificato ulteriormente.

Nel corso dello stesso anno Nicolas Matthieu Rieussec (1781-1866), orologiaio alla corte di Francia, costruì e brevettò l’anno successivo un apparato in grado di rilevare e marcare il risultato su un quadrante in smalto bianco.

Si trattava di una “scatola” che mostrava in superficie due dischi numerati e un “pennino”. All’interno vi era un piccolo serbatoio di inchiostro che permetteva di lasciar traccia della rilevazione.

Il cronografo (in questo caso opportunamente definito) di Rieussec fece la sua prima apparizione allo Champ de Mars di Parigi in occasione di una corsa di cavalli.

Il “marchingegno” venne approvato dall’Académie Royale des Sciences.

Attualmente il nome di Nicolas Rieussec è riapparso su un modello di Montblanc elaborato nei laboratori Minerva di proprietà della maison, che riproduce l’estetica e la filosofia di funzionamento del prototipo dell’inventore.

Quando l’àncora non c’era…

Lo scappamento, croce e delizia.

Anche se non il più appariscente, lo scappamento è forse il meccanismo più delicato insieme al bilanciere. Non tanto dal punto di vista della robustezza, quanto sotto l’aspetto dell’accuratezza necessaria affinché sia efficace. Ma un primato lo scappamento lo detiene: è sicuramente la parte più esposta all’usura.

L’importante compito di trasformare il movimento rotatorio del ruotismo, in oscillatorio, è stato il primo problema che gli orologiai, ancora inglobati nella corporazione dei fabbri, hanno dovuto affrontare. E probabilmente anche prima, nei tentativi di creare i primi misuratori del Tempo.

Le prime notizie storiche sullo scappamento si rinvengono tra gli scritti di Filone Alessandrino, il quale nel III secolo a.C. nel suo trattato Pneumatica lo cita espressamente. Ma certamente l’invenzione fu addirittura antecedente a questo periodo. Filone infatti cita lo scappamento, ma per procedere alla descrizione ne indica ad esempio gli orologi ad acqua, che già lo possedevano.

In senso strettamente meccanico, per avere un’attinenza col meccanismo che conosciamo oggi, dobbiamo attendere fino al XIII secolo.

Scappamento a verga

Fu nel 1275 che appare il primo scappamento a verga. Si tratta, come sappiamo dell’incidenza di una ruota, chiamata “caterina” sulle palette di un perno verticale culminante in un volano. Fu in pratica la scoperta che apri definitivamente la via alla diffusione dell’Orologeria meccanica.

Àncora di Hooke

Fu nella seconda parte del XVII secolo che Robert Hooke, noto per la legge di Fisica che porta il suo nome, ideò l’àncora. Si accorse che sostituendo alle verghe un componente piatto in grado di spostarsi alternativamente a destra e a sinistra dietro la propulsione di una ruota, avrebbe ottenuto l’oscillazione voluta.

Il sistema, però, si dimostrò immaturo per essere adottato. Occorre ricordare che fu in quel periodo che si stavano perpetrando i maggiori sforzi per ottenere un orologio portatile affidabile. Lo scappamento ad àncora, come era allora concepito, necessitava di una forza notevole in propulsione. E se per gli orologi a pendolo, con un peso costante, la soluzione si rivelò ottimale, per gli orologi da tasca si registrarono notevoli problemi di isocronismo.

Scappamento a riposoQuando l'àncora non c'era...

Un piccolo passo avanti fu fatto con la creazione dello scappamento a riposo. Quest’ultimo comprendeva anche l’utilizzo di un’àncora, ma per facilitare il regolare scorrimento fu cambiato l’orientamento dei denti della ruota di scappamento.

Scappamento a cilindro

Per gli orologi da tasca si diffuse invece lo scappamento a cilindro. La ruota di scappamento ingranava direttamente sull’asse del bilanciere attraverso un “dito” che svolgeva le funzioni della paletta nei meccanismi a verga.

Scappamento a “caviglie”

All’adozione definitiva del sistema ad àncora anche per gli orologi da tasca si arrivò con lo scappamento a “caviglie”. In questo caso furono adottati dei cilindretti che erano montati sull’àncora posta in posizione laterale rispetto alla ruota di scappamento.

La soluzione definitiva

Fu solo il preludio all’adozione della tecnica definitiva. Con la diffusione dei primi rubini sintetici, che erano stati scoperti già nel ‘600, si ritornò al progetto originario di Hooke, opponendo alla ruota di scappamento un’àncora provvista di due bracci modellati in rubino.

Questo sistema fu soltanto in parte migliorato da accorgimenti tecnici sofisticati come il tourbillon, il coassiale o il Grasshopper per i pendoli, ma resta la soluzione ancora oggi applicata con successo.

 

 

 

Si fa presto a dire… impermeabile

Quando un orologio è veramente resistente all’acqua.

Una delle confusioni maggiori che crea il mercato stesso dell’Orologeria è quella sulla definizione di impermeabile o subacqueo. Vediamo quindi di fare un poco di chiarezza sui termini. In modo da poter essere consci delle caratteristiche dei nostri segnatempo, anche e soprattutto al momento dell’acquisto.

Va intanto premesso che c’è una differenza sostanziale tra impermeabile, subacqueo e subacqueo professionale. Un orologio può dirsi impermeabile quando offre una certa resistenza all’ingresso di acqua nella cassa. Ma quello che è fondamentale è capire la misura di questa resistenza.

I parametri utilizzati dai costruttori sono abbastanza ambigui, pur rispettando le regole di legge imposte. Vediamo infatti chiare indicazioni sui quadranti e sulle istruzioni, ma in certi casi abbiamo il sospetto che non corrispondano al vero.

In realtà quel che leggiamo sui quadranti è la verità, ma non tutti sanno che queste misure corrispondono a determinate condizioni.

Partiamo quindi dall’inizio

Solitamente un orologio impermeabile viene definito tale quando protegge il meccanismo da spruzzi accidentali, rapide immersioni in acqua dolce, una doccia.

L’indicazione che viene fornita in questi casi è “resistenze a 3 atmosfere”. I più attenti però riconosceranno che 3 atmosfere (oppure 3 bar), corrispondono alla pressione che troviamo in immersione in mare alla profondità di 30 metri. Perché allora viene sconsigliata la semplice immersione?

Le indicazioni fornite in bar o atmosfere si riferiscono alle prove effettuate in laboratorio. Attraverso una campana ad aria compressa, con e senza immersione in acqua, i tecnici testano la curvatura della cassa ed eventuali infiltrazioni inserendo una pressione adeguata.

Va però precisato che si tratta di test statici. Gli orologi sono immersi ma in perfetto stato di quiete. Quando ci immergiamo in mare, invece, le nostre condizioni sono dinamiche. Ci muoviamo, nuotiamo, sbattiamo il braccio in acqua per una bracciata. L’impatto con l’acqua quindi risente di una pressione differente e ben maggiore rispetto alle condizioni di staticità in laboratorio.

Le indicazioni che troviamo sui quadranti NON vanno quindi prese alla lettera secondo il loro significato scientifico.

Per maggiore chiarezza posso riferire che un orologio impermeabile a 3 atmosfere può resistere verosimilmente a spruzzi accidentali. Con quelli a 5 atmosfere possiamo azzardarci a fare la doccia e il bagno in mare, ma in quest’ultimo caso a condizione di non “agitarci” troppo.

Altro discorso meritano invece gli orologi impermeabili a 10 o più atmosfere. In questo caso il bagno in mare è assolutamente consentito, ma non dobbiamo avventurarci in immersioni professionali.

Subacqueo e subacqueo professionale

Arriviamo quindi agli orologi che possono essere definiti subacquei. Direi che lo spartiacque è definito dalle 10 atmosfere di resistenza all’acqua.

Per avere però una certa sicurezza durante immersioni che ci portano ai 10 metri di profondità e oltre, dotiamoci di un orologio a 20 atmosfere. Meglio ancora se possiede alcune caratteristiche che lo possano far definire “professionale”.

Quest’ultimo è un termine purtroppo un po’ abusato. Verifichiamo allora quando un orologio subacqueo può essere definito professionale.

Per convenzione deve possedere 8 caratteristiche di base:

  1. Ghiera girevole unidirezionale
  2. Punto fluorescente in corrispondenza di ore “12” della ghiera
  3. Corona a vite
  4. Fondello a vite
  5. Vetro zaffiro
  6. Lancette fluorescenti
  7. Guarnizioni O-Ring
  8. Valvola ad elio

Alcuni tra questi requisiti potrebbero apparire esagerati o inutili. Non è così. Prendiamo ad esempio quello che potrebbe sembrare il più banale: il punto luminoso. Dobbiamo sapere che in immersione un orologio professionale deve garantire la massima sicurezza, aldilà degli altri strumenti in nostro possesso. La ghiera unidirezionale serve per ricordarci il minuto di inizio immersione in relazione alla durata delle bombole di ossigeno. Un errore di valutazione dovuto a scarsa visibilità potrebbe quindi creare enormi problemi.

La valvola ad elio? Ricordiamo che l’orologio deve essere professionale. A grandi profondità la pressione è altissima ed arriva a comprimere le molecole. Queste arriveranno ad essere così piccole da infiltrarsi comunque all’interno della cassa. Risalendo in superficie riprenderebbero le dimensioni naturali, facendo di conseguenza esplodere l’orologio al nostro braccio. La valvola ad elio interviene proprio per espellere le molecole e garantire stabilità.

Un’ultima considerazione. Nella mia lunga esperienza di orologiaio ho spesso avuto a che fare con utenti che cercavano un orologio subacqueo professionale giurando di scendere a oltre 50 metri di profondità. Occorre sapere che in corrispondenza dei 40 metri interviene un’ebrezza pericolosissima che disorienta ed è fatale per chi non avesse pratica e non fosse molto allenato. Se ci serve un orologio per nuotare e andare a prendere un pugno di sabbia sul fondale… accontentiamoci di un 10 atmosfere.

 

Conversazione sugli orologi (video)

Una chiacchierata su alcuni temi del collezionismo orologiero.

Prima o poi l’appassionato di orologi, come di qualunque altro bene, diventa collezionista. Ma come per tutti i risvolti di ogni campo, c’è chi si affida esclusivamente al cuore e chi abbina alla passione anche un briciolo di cultura e di razionalità.

Entrambe le motivazioni sono lodevoli e appaganti. La ricerca delle motivazioni storiche o del giusto produttore può essere però un incentivo a far parte della seconda schiera.

Discutiamone e pensiamoci dopo la visione del seguente filmato: