Gli strumenti di misura del tempo - Parte V

Struttura di questo studio

• Introduzione e pagina 1: Strumenti precedenti alla scrittura.
• Pagina 2: Strumenti di osservazione delle ombre.
• Pagina 3: Strumenti di osservazione degli astri.
• Pagina 4: Strumenti a flusso o combustione.
• Pagina 5: orologi e strumenti moderni (questa pagina).

Mi dispiace per chi ha avuto il coraggio di seguire questo studio dall'inizio, ma dovro ripetermi. E in questa pagina ancora più che nelle altre. Lo scopo del nostro studio e seguire l'evoluzione degli strumenti di misura per cio che hanno portato di innovativo in termini di precisione.

In questa pagina non troverete ne immagini ne riferimenti a tutto cio che esiste al mondo in materia di orologi, pendole o orologi da polso. Troverete ancora meno spiegazioni tecniche approfondite di orologeria. Al massimo qualche spiegazione semplice (semplicistica, diranno gli specialisti, che mi perdoneranno) sufficiente a capire l'evoluzione degli strumenti. Del resto, sarei incapace di spiegarvi cos'e una chaussee avec tige o una ruota di rinvio e molte altre parti... Per il resto, vi rimando ai numerosi siti eccellenti che esistono.

Dall'orologio da torre all'orologio da polso

Generalita

Come per le clessidre ad acqua, facciamoci alcune domande generali prima di seguire l'evoluzione tecnica degli strumenti.

Qual e l'etimologia della parola orologio? Un rapido tuffo nel Dizionario dell'Accademia Francese: "sost. femm. (un tempo maschile. In alcune citta si dice ancora il gros horloge. Le gros horloge di Rouen). XII secolo, oriloge, orloge, al maschile. Dal latino horilogium, a sua volta dal greco tardo horologion, "cio che indica l'ora"."

Notiamo, per inciso, che la parola inglese clock deriva dal francese cloche.

Il primo orologio: quando, dove e da chi? Diciamolo subito: non sappiamo chi abbia inventato il primo orologio meccanico. E ancora più difficile capirlo perché il termine horilogium e stato usato in senso generico, e non e possibile sapere se chi lo usa descrive un orologio meccanico, una clessidra ad acqua o persino una meridiana. Ricordiamo la meridiana canonica della chiesa di Merindol-les-Oliviers, nella Drome, con l'iscrizione OROLOGII.

A volte si attribuisce a Gerberto, di cui abbiamo già parlato, l'invenzione dell'orologio meccanico. E quasi certamente falso. E ci si può anche chiedere: se fosse vero, perché questa invenzione sarebbe caduta nell'oblio dalla fine del X secolo fino alla fine del XIII?

Perché e proprio alla fine del XIII secolo che compaiono in Europa i primi orologi meccanici. Più precisamente in Inghilterra, nel 1283, al priorato di Dunstable vicino a Londra. Altri apparvero negli anni successivi: Exeter (Inghilterra) nel 1284; Saint-Paul (Londra) nel 1286; Canterbury (Inghilterra) nel 1292. E molti altri nel XIV secolo.

Notiamo che l'orologio meccanico e di origine puramente occidentale. Ne la civilta islamica ne quella cinese si sono incamminate su questa strada. Problema tecnologico o scelte diverse (tecnologia idraulica per i cinesi)?

L'orologio e uno strumento di misura del tempo? Non rifaro il discorso della clessidra ad acqua. L'orologio e ovviamente, come la clessidra e la meridiana, un misuratore del tempo. Si può persino dire che e un marcatempo: poco importa la durata dell'ora, cio che si chiede all'orologio e dire che ora e.

L'orologio e uno strumento importante? Eccome. Mille volte si. La comparsa dell'orologio e probabilmente l'evento maggiore e fondamentale del Medioevo. E, a mio avviso, per diverse ragioni.

Sicuramente non per la precisione, perché da questo punto di vista clessidre ad acqua e meridiane sono migliori. I primi orologi meccanici, invece, «sbarellano» e bisogna rimetterli all'ora... con le meridiane, più volte al giorno, altrimenti possono perdere quasi un'ora al giorno.

Sicuramente non per la loro imponenza e quella delle due lancette in cima ai campanili di chiese, cattedrali o beffroi. Semplicemente perché i primi orologi sono ben lontani dalle altezze dei campanili. Si accontentano di stare nei conventi. Poi, in seguito, ai piani bassi delle chiese. E solo più tardi ancora nelle parti alte delle torri. Semplicemente perché all'inizio non hanno quadrante. Del resto, chi avrebbe saputo leggerlo in una popolazione composta al 95% da contadini?

A proposito, perché il 4 degli orologi e spesso scritto IIII invece di IV? Forse perché IV e VI si possono confondere quando la lettura e un po'... approssimativa.

E quando arrivera il quadrante, inizialmente bastera una sola lancetta, dato il livello di imprecisione.

Ma allora, a cosa serve un orologio senza quadrante e senza lancette? A dare un segnale, come una sveglia, a un campanaro che prende il testimone e suona le campane (ricordate? Clock = campana). Più tardi, quando avra tutti i suoi attributi (quadrante, lancette) e sara salito in alto nel campanile, verra seguito con cura dal governatore dell'orologio, incaricato di sorvegliarlo come la pupilla dei suoi occhi. Controllo, manutenzione, allineamento con il Sole: questa era la vita quotidiana di queste figure, spesso alloggiate nel campanile stesso.

Basta con i «sicuramente non». Vediamo perché la comparsa dell'orologio e l'evento maggiore del Medioevo.

• Prima di tutto, perché rappresenta la vittoria delle ore uguali sulle ore disuguali.

Nelle pagine precedenti abbiamo visto che strumenti come clessidra ad acqua o astrolabio danno ore disuguali, cioè con durata variabile secondo le stagioni: 80 minuti d'estate, 50 d'inverno, per esempio. Con l'orologio, al netto dei problemi di precisione, l'ora diventa di sessanta minuti e il giorno di 24 ore. Non c'e più il giorno da una parte e la notte dall'altra, ma una giornata di 24 ore da 60 minuti. Punto.

• Poi, perché apre la strada a una laicizzazione del tempo.

Fino al XIII-XIV secolo il tempo appartiene a Dio. E quindi e affare di preti e assimilati. Attraverso i campanari, aiutati da clessidre ad acqua o meridiane, scandiscono il tempo con ore di preghiera e uffici. Ricordiamo le meridiane canoniche viste nelle pagine precedenti.

Quando arriva l'orologio meccanico, inizialmente fa da sveglia ai campanari; poi, col tempo, sale sul campanile e ciascuno ne fa l'uso che vuole. L'ora diventa finalmente di tutti. E, come abbiamo appena visto, e uguale per tutti. E quando l'orologio non si limita a suonare le ore delle preghiere ma tutte le ore, la laicizzazione e al culmine.

A quel punto l'ora di tutti tende a diventare l'ora di ciascuno. Semplificando, ogni secolo segna una tappa: nel XVII secolo entra in casa, nel XVIII si porta addosso, nel XX si porta al polso.

Dal Medioevo in poi passiamo dunque, secolo dopo secolo, da una «presa clericale» a una democratizzazione dell'ora.

Non fraintendiamo: non e l'arrivo dell'orologio, da solo, a provocare questo fenomeno. Ne e lo strumento. Nel Medioevo il clero non era più l'unico a chiedere ore o riferimenti temporali. Con lo sviluppo dell'industria e del commercio emersero esigenze di riferimenti specifici, che si trattasse di cronometraggio del lavoro o di certe mansioni. Se aggiungiamo le esigenze delle corti reali e di altri ambienti, si capisce che l'orologio e arrivato... al momento giusto.

• Infine, perché porta a una delocalizzazione del tempo.

Non solo muore l'ora disuguale, ma anche l'ora locale. Certo, ci vorra tempo: in Francia accadra nel 1891 (vedi lo studio sulle scale del tempo). L'arrivo dei moderni mezzi di comunicazione, come il treno, pone il problema. La meccanizzazione degli orologi offre la risposta. Tutti gli orologi di Francia vengono sincronizzati su una stessa ora: quella di Parigi.

Nel Magasin Pittoresque del 1880 si può leggere un articolo intitolato Unificazione dell'ora mediante elettricita e aria compressa.

Per quanto riguarda gli orologi pneumatici, si legge: "...Già a Parigi sono stati installati vari orologi funzionanti con questo nuovo sistema, di cui M. Popp, di Vienna, e l'inventore... Un orologio centrale e disposto in modo tale che ogni volta che il suo bilanciere batte il sessantesimo secondo di un minuto, si produce uno sgancio che lascia passare l'aria compressa nei serbatoi; questa si lancia subito nei tubi della rete e gonfia un mantice posto all'estremita. Gonfiandosi, il mantice solleva una piccola leva che fa avanzare di uno scatto una ruota da sessanta denti, ciascuno corrispondente a un minuto. A questa stessa ruota e fissata la lancetta grande del quadrante, che avanza di un minuto...

L'installazione dei primi quindici quadranti ha richiesto diciotto chilometri di tubazioni, ed e stata realizzata in modo che tutte le persone che abitano vicino alla rete possano ricevere l'ora a domicilio. Bastera collegare alla condotta centrale un piccolo tubo che porti in casa l'aria compressa fornita dall'amministrazione."

Spiegazione sommaria del funzionamento

Gli orologi meccanici hanno quattro elementi essenziali:

1. Una sorgente di energia (pesi, molla).
2. Organi di trasmissione incaricati di trasmettere l'energia e calibrare in ore uguali il tempo di questa trasmissione.
3. Uno scappamento o organo distributore che lascia sfuggire periodicamente la forza motrice. In seguito avra anche la funzione di restituire all'organo regolatore (pendolo) l'energia persa per smorzamento.
4. Un organo regolatore o oscillatore che trasforma il moto irregolare in un moto regolare.

Si possono aggiungere, eventualmente:

1. Un sistema di visualizzazione (quadrante, lancette).
2. Un sistema di carica per rinnovare la sorgente di energia.

L'evoluzione degli orologi seguira due direzioni: miniaturizzazione delle parti e miglioramento della precisione del sistema di regolazione. Naturalmente, qui studieremo soprattutto la seconda.

Evoluzione

Il modo migliore per seguire l'evoluzione degli strumenti e rispettare l'ordine cronologico. Vi rassicuro: non rileggeremo ancora una volta la cronologia del Quid, identica a quella che si trova su tanti siti. In quel caso basterebbe un link al sito originale, no?

I primi regolatori: lo scappamento a foliot

Non sappiamo chi lo abbia inventato ne la data precisa di comparsa, che si può collocare in una forchetta 1270-1330.

A questo proposito, non resisto alla tentazione di citare un passaggio dell'eccellente libro di Gerhard Dohrn-van Rossum, Storia dell'ora: "La comparsa dello scappamento, oggi considerata un'innovazione decisiva o un'invenzione che apre vie nuove, non emerge affatto nella percezione dell'epoca. Al massimo viene descritta come un fenomeno importante ma enigmatico. Invece si nota subito la comparsa degli orologi a suoneria, considerata un evento tecnico sensazionale con grandi conseguenze sociali".

Vediamo rapidamente come funziona questo sistema, chiamato anche scappamento a verga o scappamento a ruota di incontro.

A sinistra, vista d'insieme di un meccanismo con foliot. A destra, dettaglio dello scappamento a ruota di incontro. Foto gentilmente fornite da Jean Claude Sulka, il cui sito merita una visita.

Nella foto in alto a sinistra, a destra, si vede la sorgente di energia costituita da un peso sospeso a un cavo avvolto su un tamburo. La parte sinistra riguarda il sistema di suoneria.

Nella foto in alto a destra si vede la parte di scappamento a foliot. Il foliot e un pezzo a forma di T, il cui albero verticale (verga) e sormontato da un bilanciere. Una ruota dentata (ruota di incontro), solidale al tamburo motore, fa ruotare, tramite una paletta, la verga e il bilanciere finche un'altra paletta, che forma con la prima un angolo di circa 60°, arresta il moto e inverte il senso di rotazione. A ogni movimento il foliot lascia passare un dente della ruota di incontro: da qui il nome di scappamento. La durata dell'oscillazione del foliot può essere modificata spostando pesi di regolazione sul bilanciere. Questa durata deve corrispondere a una norma temporale (minuto, ora...).

La parola foliot deriva da folie, a evocare il moto incessante avanti-indietro del bilanciere. Il nome compare per la prima volta nella penna di Jean Froissart, poeta e cronista francese (1337-1404), in un poema del 1370, Li Orologe amoureus.

Il meccanismo a foliot non era riservato ai grandi orologi, come dimostra questo orologio-tamburo a foliot con movimento interamente in acciaio. Anonimo, Germania meridionale, verso il 1550.

Nel suo libro Gerhard Dohrn-van Rossum osserva che nel 1931 J. Drummond Robertson ipotizzo per primo che lo scappamento orologiero potesse derivare da antichi dispositivi di ripetizione dei colpi di campana. In effetti il sistema di suoneria funziona in modo simile allo scappamento visto sopra, salvo che il foliot e sostituito da una leva-martello che colpisce una campana. Naturalmente il moto della suoneria e più rapido.

E Gerhard Dohrn-van Rossum spiega come, secondo lui, sia stato messo a punto lo scappamento meccanico degli orologi: nei monasteri l'uso di «sveglie» era corrente. Nel XIII secolo si scopri che rallentando l'oscillazione del martello della campana, aumentandone la massa e rendendola regolabile, si poteva ottenere un moto orologiero stabile. Perché no? Anche se, su stabilita e precisione, c'era ancora parecchia strada da fare.

Una variante dello scappamento a foliot

E quella utilizzata da Giovanni Dondi e descritta in un'opera del 1365.

A sinistra, ricostruzione fedele dell'orologio planetario (Astrarium) di Giovanni Dondi, visibile al Museo Leonardo da Vinci di Milano. L'originale non esiste più. A destra, schizzo del telaio inferiore da un manoscritto della biblioteca dell'Eton College, Windsor.

Nel disegno di destra, in alto, si vede che il foliot e sostituito da una ruota orizzontale con «pioli». Resta aperta la questione di come si regolasse con precisione questo meccanismo. Notiamo anche la presenza di un quadrante.

Cambio di motore

Verso il 1450 compare la molla d'acciaio come sorgente di energia.

Non confondiamo quella che chiamero molla-motore con la molla che vedremo arrivare più tardi nel sistema di regolazione.

Il vantaggio della molla rispetto al peso e il minore ingombro, che permette di spostare l'orologio e miniaturizzare l'insieme, fino a farne orologio da interno o da tasca.

Ha però un grosso svantaggio rispetto al peso: eroga una forza motrice decrescente man mano che si distende. Per questo i primi orologi a molla furono ancora peggiori, in precisione, di quelli a peso.

Si vedono quindi nascere presto due sistemi per compensare questa irregolarita della forza motrice. In Germania lo stackfreed, di breve durata. In Francia la fusée, che sara usata molto più a lungo.

A sinistra, sistema a stackfreed. A destra, sistema a fusée. La sostituzione del cordino con una catenella, nel 1650, si deve all'orologiaio ginevrino Gruet.

• Lo stackfreed usa una seconda molla che preme su una camma per mantenere costante la forza motrice.
• La fusée persegue lo stesso obiettivo: compensa l'indebolimento della tensione della catena (inizialmente un cordino) aumentando il braccio di leva e mantenendo così costante la forza motrice grazie alla forma iperbolica della fusée. Non ricorda il sistema dei rapporti su una bicicletta?

Notiamo, per inciso, che nei disegni compaiono viti come sistema di fissaggio. In realta i primi orologi (in senso ampio) erano montati con perni, e le viti arrivano solo intorno al 1550.

Rivoluzione negli oscillatori

Nel XVII secolo la precisione degli strumenti migliora enormemente: da derive di 15 minuti a poche decine di secondi. Una precisione tale che l'inglese Daniel Quare (1649-1724), alla fine del secolo, aggiunge finalmente la lancetta dei minuti.

Senza cadere nei dettagli tecnici dell'orologeria, il nostro studio sull'evoluzione della precisione degli orologi meccanici si concludera dopo questa «rivoluzione degli oscillatori».

Tutto comincia nel 1583, quando Galileo, secondo il suo primo biografo Vincenzo Viviani, formula la legge dell'isocronismo del pendolo dopo aver osservato l'oscillazione di un lampadario nella cattedrale di Pisa: la durata di un'oscillazione dipende dalla lunghezza del pendolo e non dall'ampiezza del movimento.

Galileo Galilei (1564 - 1642)

Galileo non ha bisogno di presentazioni; qui serve solo una biografia che non occupi pagine intere. Nato a Pisa, questo grande fisico e astronomo realizzo numerose scoperte in meccanica e astronomia.

Miglioro in modo decisivo il cannocchiale astronomico, difese la realta del moto della Terra, invento un termometro, la bilancia idrostatica e un compasso di proporzione. Formulo le leggi della caduta dei corpi. Per quanto ci riguarda qui, scopri le leggi del pendolo.

Nel 1638 pubblico la teoria del pendolo e affido al figlio la realizzazione di un orologio a pesi e pendolo da lui progettato. Purtroppo il figlio mori l'anno dopo.

Qui vediamo il disegno realizzato dal figlio di Galileo sotto dettatura del padre, da cui avrebbe dovuto costruire l'orologio a bilanciere.

Entra allora in scena Christiaan HUYGENS (1629-1695).

Christiaan Huygens (1629-1695)

Nacque all'Aia e si formo scientificamente anche attraverso le opere di Cartesio, amico del padre. Fu il primo a osservare un satellite di Saturno (Titano), poi la rotazione di Saturno e i suoi anelli. Pubblico le leggi dell'urto elastico.

Fu membro dell'Accademia delle Scienze di Parigi e della Royal Society di Londra. Per noi, qui, e l'inventore dell'orologio a pendolo e della molla a spirale per orologi.

Prosegui i lavori di Galileo o porto avanti ricerche parallele? In ogni caso, nel 1657 incarico l'orologiaio Salomon Coster di costruire un orologio a pesi e pendolo che presto prese il nome di pendola.

L'orologio a pendolo a pesi come appare nel libro di Huygens, Horologium oscillatorium. In questa incisione si nota che lo scappamento e ancora a ruota di incontro, cosa che impone grandi ampiezze di oscillazione del pendolo e danneggia l'isocronismo.

Le due lame servono a correggere le variazioni del periodo di oscillazione del pendolo, il cui periodo e regolato da un peso-cursore mobile lungo l'asta. Bisogna attendere il 1671 e l'orologiaio William Clement per vedere comparire «l'ancora a rinculo», su idea di Robert Hooke. Consentira un'oscillazione del pendolo di 4-5° invece dei circa 40° dell'orologio di Huygens, realizzando meglio l'isocronismo.

Diciotto anni dopo, nel 1675, Huygens inventa il primo orologio a molla-spirale, realizzato da Isaac Thuret, uno dei migliori orologiai di Parigi. L'organo regolatore era un bilanciere (da non confondere con quello dei grandi orologi), una piccola ruota metallica accoppiata a una sottile molla d'acciaio a spirale, che agiva su di esso come la gravita su un pendolo.

Negli anni e nei secoli successivi, orologiai e inventori lavorarono per migliorare i movimenti esistenti: scappamenti, suonerie, sistemi di carica, qualita dei materiali, resistenza alle variazioni di temperatura... Ma qui usciamo dai limiti di questo studio e, soprattutto, dalle mie competenze. Vi rimando quindi al Quid per una cronologia completa di orologi e orologi da polso.

Il quarzo, oscillatore moderno

Nel 1880 Pierre e Jacques Curie scoprono l'effetto piezoelettrico: quando alcuni cristalli (tra cui il quarzo) sono sottoposti a una sollecitazione, compaiono cariche elettriche sulla loro superficie.

Basta quindi mettere un cristallo di quarzo in una scatola, dargli un colpetto (al quarzo, non alla scatola) e recuperare le cariche elettriche... Ops, errore: stiamo costruendo un accendino, non un orologio. Abbiamo applicato l'effetto piezoelettrico diretto.

Bisogna attendere G. Lippmann per mettere in evidenza l'effetto piezoelettrico inverso: i cristalli si deformano se sottoposti a un campo elettrico. Se questa «eccitazione» e permanente, il quarzo vibra a una frequenza molto stabile, propria del cristallo, dipendente dalle sue dimensioni. Basta contare le vibrazioni per trasformarle nell'unita di tempo desiderata (per esempio il secondo). Nasce così il risonatore al quarzo.

Negli orologi la frequenza e in genere 32.768 Hz. Un circuito integrato divide questa frequenza per 2 quindici volte di seguito e otteniamo il secondo.

Quanto alla precisione di un simile oscillatore, e dell'ordine di 1/1000 di secondo in 24 ore. Decisamente meglio del foliot visto all'inizio, no?

I primi orologi al quarzo comparvero nel 1929-1930 e le loro dimensioni non avevano nulla da invidiare ai primi orologi da campanile. Il primo orologio da polso al quarzo con lancette appare nel 1967 e l'orologio digitale nasce nel 1971.

Se cercate il quarzo nel vostro orologio, non troverete qualcosa che assomiglia alla prima immagine, ma qualcosa di simile alla seconda. Non vi resta che aprire la cassa per trovare la lamella di quarzo. Dopo, però, non garantisco il perfetto funzionamento dell'orologio...

Gli orologi atomici

Con gli orologi atomici passiamo a una precisione estrema, dell'ordine di circa un secondo ogni 3.000 anni.

Naturalmente questi orologi non sono pensati per finire sul camino di casa. Servono a misure estremamente precise, una delle quali e fornire il TAI (Tempo Atomico Internazionale) di cui abbiamo parlato nello studio sulle scale del tempo.

Non entreremo nel dettaglio del loro funzionamento. Sapere che, questa volta, e l'atomo a fare da oscillatore, perché la sua frequenza (più precisamente il suo cambio di stato) e ancora più precisa di quella del quarzo. Ne esistono diversi, ma l'atomo di cesio (Cs, per gli amici) sembra prestarsi molto bene al ruolo di oscillatore.

In conclusione

Ricordate l'immagine della Temperanza come la rappresentava Ambrogio Lorenzetti nel 1338?

Nel XV secolo e rappresentata così in un manoscritto conservato alla Sachsische Landesbibliothek di Dresda.

E oggi, all'epoca degli orologi atomici, come andrebbe rappresentata?