Il cronometro e la longitudine

[Storm]

Mi piace iniziare con una citazione di Dava Sobel dal libro Longitudine: “L’orologio, grande o piccolo che sia, grossa pendola o delicato gingillo, in qualche modo contiene il tempo. Tuttavia il tempo si rifiuta di essere imbottigliato come il genio della fiaba che viene ficcato dentro una lampada. Quello che possiamo sperare da un orologio è che ne registri il flusso, nient’altro. E poiché il tempo ha il suo ritmo, come il battito del cuore o il ciclo della marea, gli strumenti per misurarlo non lo trattengono, al massimo stanno al passo, se ci riescono”.

E a proposito di strumenti di misurazione, dal momento che spesso vengono confusi il cronometro con il cronografo (anche se un orologio meccanico può essere sia cronometro che cronografo) vorrei raccontare un po’ delle origini di entrambi, sperando che siano d’aiuto per non confonderli in futuro. Oggi parlerò del cronometro.

Un cronometro (da crono->tempo e metro->misura) è un orologio meccanico particolarmente preciso. Occorre sfatare un primo mito sulla precisione: non ha niente a che vedere con il prezzo dell’orologio che invece è legato solo al prestigio e (si spera) alla qualità. Ho visto clienti rimanerci molto male quando hanno scoperto che l’orologio meccanico pagato una fortuna era molto meno preciso dell’orologio al quarzo digitale in regalo con una rivista o nei fustini del detersivo per lavatrice. È importante avere aspettative realistiche rispetto al tipo di prodotto che si acquista.

Per cronometro, oggi, si intende un orologio meccanico certificato e riconosciuto da un ente certificatore. In Svizzera la certificazione viene fornita dal COSC, l’istituto per la certificazione dei cronometri elvetico e solo il 6% della produzione annuale elvetica viene certificato. Il meccanismo viene sottoposto a test rigorosi per 15 giorni, in diverse condizioni e posizioni e rilevando ogni volta che lo scarto di precisione rientri entro certi range prestabiliti (come da norme ISO 3159) per ciascuna prova (qui trovate i parametri http://www.cosc.swiss/en/certification/ ... -movements). Esistono altri tipi di certificazione che qualcuno ritiene più stringenti di quella del COSC e talvolta le stesse case orologiere sottopongono i meccanismi a prove extra certificandole internamente ma solo il COSC rilascia il certificato ufficiale di cronometro con numero di serie inciso sul movimento.

La precisione dipende da vari fattori: in fase di progettazione dipende dalla frequenza (ma avere una frequenza troppo elevata può causare più problemi di quelli che risolve negli orologi meccanici), in fase di attuazione dipende dalla qualità dei materiali e delle tecnologie impiegate e una volta comprato un orologio dipende dall’uso che se ne fa e dalla manutenzione a cui lo si sottopone (se lo si sottopone). In particolare ci sono alcuni “nemici” della precisione in un orologio meccanico: l’attrito che consuma le parti meccaniche nel tempo, le posizioni che può assumere un orologio nello spazio (quelli da polso sono più soggetti a scarti di precisione per questo motivo), l’umidità che ossida le parti di cui è composto, la variazione della pressione atmosferica, la temperatura (i materiali si dilatano o si restringono a temperature diverse), gli urti e in alcuni casi la magnetizzazione (che è problematica perché fa sballare completamente l’orario ma anche facilmente risolvibile smagnetizzandolo).

Due parole sulla frequenza: un cristallo al quarzo vibra ad una frequenza nettamente maggiore (32768 Hz) di un bilancere (uno degli organi regolatori di un orologio meccanico, ne parlerò più avanti) tanto che non usano nemmeno la stessa unità di misura. Per l’orologio meccanico l’unità di misura è il numero di alternanze (oscillazioni) all’ora e nel quarzo invece è l’Hertz. Nei prototipi più spinti di orologi meccanici si arriva fino a 926 Hz ma la maggioranza degli orologi meccanici non supera la decina di Hz. Per questo un orologio al quarzo è molto più preciso di uno meccanico.
Nei cronometri, la frequenza che di solito è di 21600, 28800 o 36000 alternanze/ora si traduce generalmente in ritardi o anticipi di qualche secondo alla settimana quando l’orologio esce dalla fabbrica. Poi con il tempo, l’usura dei pezzi, gli urti, la lubrificazione inadeguata, magari anche qualche infiltrazione di umidità questi divari aumentano inevitabilmente, specie se l’orologio non viene sottoposto regolarmente a revisione.

Se oggi la precisione degli orologi meccanici può sembrare un capriccio o relativa confrontandola con i modelli al quarzo (per non parlare poi degli orologi atomici), è stata però di fondamentale importanza nel XVIII secolo nel campo della navigazione per permettere di calcolare la longitudine (a tutt’oggi i navigatori satellitari impiegano la precisione del proprio orologio interno per stabilire dove siete).

Uno dei primi e più famosi cronometri, l’H4, il quarto dei cronometri marini ideati da John Harrison è legato al premio, esorbitante per l’epoca, di £20.000 che il governo inglese offrì con il Longitude Act del 1713 a chi fosse riuscito ad ideare un metodo per stabilire la longitudine con uno scarto massimo di 30 minuti. La motivazione dietro un premio così alto derivava da uno dei peggiori disastri navali britannici in cui avevano perso la vita circa 1400 marinai e quattro navi della flotta da guerra britannica erano affondate nei pressi delle isole Scilly. La causa dell’incidente fu attribuita ad un’errata stima della longitudine e il governo istituì prima il Longitude Board e poi il premio.

Harrison aveva 21 anni quando decise di cimentarsi nella sfida e solo 45 anni e 3 modelli dopo sottopose il cronometro al test del Longitude Board per la prova di attraversamento transoceanico. Il cronometro marino superò la prova ben due volte perché la prima il board ritenne che potesse trattarsi di un caso. Purtroppo non gli venne attribuito comunque il premio per intero dal Board e solo successivamente con l’intercessione di Giorgio III gli vennero riconosciute delle somme aggiuntive dal parlamento per il suo prezioso servizio, tre anni prima di morire. Per i retroscena degli interessi e delle resistenze dell’epoca a stabilire la longitudine con un orologio piuttosto che con la distanza lunare dietro questo premio e per approfondire vi lascio a questo link http://www.arcetri.astro.it/~ranfagni/C ... JHARRI.HTM e consiglio la lettura del libro citato all’inizio di Dava Sobel “Longitudine”.

Harrison con l’H4 curò allo stremo i dettagli che potevano interferire con la precisione: mise le pietre dure come sedi per i perni del ruotismo e le leve in diamante allo scappamento per attenuare al massimo l’attrito (sono usate tutt’oggi anche se si tratta di materiale sintetico), usò il conoide per minimizzare le fluttuazioni di rilascio dell’energia della molla (fornisce maggiore energia quando è carica rispetto a quando sta per scaricarsi), rese il movimento del ruotismo più costante attraverso l’uso del remontoir (sostanzialmente si tratta di un metodo per fare in modo che la trasmissione del moto non dipenda dalla sincronia dell’oscillazione del bilancere, lascio questo link sperando che possa aiutare vederlo perché sarebbe complicato da spiegare http://redfernanimation.com/1993-harris ... ions-at-ha…/ e ho messo anche una foto in fondo), usò un volano del bilancere con un raggio più ampio e più leggero di quelli tradizionali per minimizzare l’attrito e sopperì agli scarti di temperatura accoppiando materiali quali acciaio e ottone che si compensano comportandosi all’opposto a temperature diverse. Qui trovate uno straordinario video degli orologiai inglesi che hanno ri-costruito una copia dell’H4 basandosi su fotografie e disegni e sotto trovate una foto del meccanismo.
https://www.youtube.com/watch?v=UeEBa55S7MI

Mentre i primi tre modelli erano a pendolo, con il quarto Harrison capì che la frequenza influisce sulla precisione e scelse un orologio a bilancere dandogli circa 18.000 alternanze/ora che era avvenieristico per l’epoca con uno scappamento a verga modificato, come il suo. All’epoca questo tipo di orologi nel migliore dei casi aveva scarti di minuti al giorno. L’H4 all’arrivo nel primo viaggio dopo 62 giorni di navigazione era 5.1 secondi in anticipo. Nel secondo viaggio dopo 47 giorni di navigazione lo scarto era di 39.2 secondi, tre volte migliore della precisione richiesta dal premio.

Harrison oltre ad essere stato un falegname prestato all’orologeria testardo, ambizioso, perfezionista e visionario è stato un inventore eccezionale ma poco capito dai contemporanei. Per capire quanto sia stato sottovalutato basti pensare che in un libretto che ha pubblicato prima di morire “A Description concerning such mechanism as will afford a nice, or True mensuration of time” aveva dichiarato che fosse possibile far raggiungere ad un pendolo la precisione di 2 secondi/100 giorni in un periodo in cui era tanto se la precisione di un pendolo si avvicinava ad 1 secondo/giorno. Dal 1976 in poi Burgess, un mastro orologiaio inglese, ha lottato per portare in vita questo pendolo e col tempo ha costituito un gruppo di ingegneri, matematici e orologiai vincendo le resistenze alle tecniche alternative e controcorrente proposte da Harrison. Il gruppo lo ha aiutato a decifrare le istruzioni oscure di Harrison e ha creato il clock B, provando nel 2015 dopo un test ufficiale all’osservatorio di Greenwich che Harrison aveva ragione, perché il pendolo mostrava una variazione di appena 5/8 di secondo in 100 giorni.

[MacGyver]

Grazie anche per questo importante contributo che hai condiviso con noi.

[Giacomo]

Molto interessante. Grazie

[Paolo Antolini]

Mille grazie anche da parte mia mi è piaciuto molto

[Paolo Antolini]

http://www.arcetri.astro.it/~ranfagni/C

controlla per favore quel link perché non porta da nessuna parte

[vip]

Mi emoziono sempre rileggendo il libro Longitudine. Ti ringrazio per aver condiviso con noi queste importanti righe.

[DaV]

Grazie !!!!!!!! Grazie per avermi dato la possibilità di imparare molto. Ad ogni 3D imparo qualche cosa di nuovo. Grazie