Orokit – L’Orologio da costruire


(Seconda parte – Dal n.66 de l’Orologio)

Quando, nel 1985, il sottoscritto descriveva ai lettori di Audio Review (autorevole rivista di elettroacustica ed alta fedeltà) il suo primo programma di progetto di casse acustiche alta fedeltà (per computer Commodore 64 n.d.r.), ben difficilmente avrebbe potuto prevedere che, a distanza di tredici anni, sarebbe stato impegnato a proporvi, dalle pagine di una rivista di orologeria, il progetto originale di un orologio di legno in stile rinascimentale.

Di Renato Giussani – Foto di Alessandro Neri

Alla luce dei primi commenti degli amici con cui siamo a più diretto contatto, ci sembra utile ripetere qui una frase già pubblicata nella prima puntata:

"Durante lo sviluppo del progetto e la realizzazione del prototipo che presenteremo su queste pagine, abbiamo dovuto affrontare diverse problematiche fisiche ed alcuni aspetti tecnici di base la cui conoscenza potrà probabilmente interessare anche gli appassionati meno impegnati.

La lettura della serie di articoli che prende l’avvio oggi è perciò consigliata a tutti, indipendentemente dalla loro formazione culturale ed esperienza tecnica, nonché dalla loro effettiva volontà di realizzare un orologio come quello che presenteremo."

Lo scorso mese abbiamo pubblicato il primo degli articoli con i quali vi descriveremo il progetto e la realizzazione di un orologio a pendolo in stile rinascimentale.

Quest’ultima definizione deriva dal fatto di avere scelto un tipo di materiali che, in forme similari, avrebbe potuto essere alla portata anche di ingegneri post-medioevali.

In realtà, tale scelta non è stata affatto dettata dalla voglia di emulare Leonardo, quanto di offrire a chi volesse cimentarsi nella realizzazione dell’orologio, la possibilità di farlo mettendo in campo il minor impegno possibile sia sul piano delle conoscenze tecnologiche che su quello dei costi.

Alla fine, i materiali che hanno richiamato la nostra attenzione, per la facile reperibilità e la ancor più facile lavorabilità, sono stati il multistrato marino e l’ottone, in forma di piattine, fili e viti reperibili in parte presso rivendite di metalli e in parte presso negozi di modellismo.

Uno dei pochi particolari, difficilmente sostituibili, di derivazione tecnologicamente più moderna è costituito dai morsetti di fermo dei perni, ottenuti smontando dei morsetti elettrici di tipo Mammuth, reperibili presso qualsiasi elettricista mediamente fornito.

Il mese scorso, nella didascalia della foto a pagina 135, vi avevamo promesso che avremmo approfondito la descrizione del sistema di scappamento del nostro orologio. Eccoci quindi a dare un primo seguito a tale promessa, cominciando a vedere alcuni aspetti del suo funzionamento.

Innanzi tutto cominciamo col ricordare cos’è e qual’è la funzione di base dello scappamento, in un qualsiasi orologio meccanico.

Si tratta di un insieme di componenti, fondamentalmente l’ancora e la ruota di scappamento, preposti a far interagire il treno del tempo con l’organo regolatore.

In pratica: l’energia fornita dalla molla di carica contenuta nel bariletto o dai pesi, in assenza di un organo regolatore, farebbe girare tutti i ruotismi dell’orologio, alcuni dei quali hanno le lancette fissate ai loro perni, a velocità crescente, frenata solo dagli attriti.

L’organo regolatore (bilanciere o pendolo che sia) deve potersi occupare di rendere uniforme tale velocità di rotazione, in modo che ad ogni giro delle lancette corrispondano intervalli di tempo predefiniti sempre di uguale durata.

Per ottenere questo risultato, la ruota più veloce del gruppo che prende il moto dal bariletto viene fatta interagire con l’organo regolatore, in modo da costringerla ad una velocità media di rotazione costante.

L’elemento che consente questa interazione è l’ancora, incaricata di controllare la rotazione della ruota di scappamento, fermando via via ciascuno dei suoi denti e rilasciandolo al comando dell’organo regolatore, il quale viene mantenuto in movimento (un moto armonico caratterizzato da una costanza del periodo più elevata possibile) proprio dalla energia che l’ancora gli cede (dopo averla ricevuta dal bariletto per il tramite della ruota di scappamento stessa) durante la fase di rilascio di ciascuno dei denti.

Negli orologi da polso moderni il sistema di scappamento è basato sulla presenza di un’ancora svizzera e di un bilanciere circolare reso oscillante attorno al suo asse grazie alla presenza di una molla a spirale; l’ancora interagisce per il tramite di due pietre inclinate (leve di entrata e di uscita) con i denti della ruota di scappamento ed attraverso la forchetta posta all’estremità del suo stelo con il bottone del bilanciere, dal quale viene spostata durante la fase di passaggio del bilanciere stesso, nella sua oscillazione, per la posizione di equilibrio, ottenendo che una delle due leve liberi il dente che aveva fermato, dandogli quindi un impulso attraverso la sua superficie attiva inclinata.

Probabilmente, tutto il funzionamento è più facile a capirsi guardando le figure pubblicate a pag.130, che a descriversi; in ogni caso, se al posto del bilanciere circolare e della molla a spirale mettiamo l’asta di un pendolo e la forza di gravità, il risultato non cambia di molto.

Una delle caratteristiche principali dello scappamento appena descritto è il fatto di essere classificabile come "libero" o "a contatto periodico", per contrapposizione alla famiglia di quelli "a contatto permanente" cui appartiene quello "a rinculo" impiegato nel nostro orologio.

Negli scappamenti liberi, l’organo regolatore entra in contatto con l’ancora solo per un breve istante ad ogni oscillazione ed una caratteristica importante è che ciascuna delle leve dell’ancora presenta due superfici attive di interazione con i denti della ruota di scappamento: una di riposo contro la quale il dente si ferma mentre il bilanciere completa liberamente la sua oscillazione, ed una d’impulso, contro la quale il dente scivola mentre trasmette all’ancora (che in quel momento può spingere anche il bilanciere) l’impulso stesso.

Nello scappamento utilizzato nel nostro orologio (Fig.3 e 4), invece, l’ancora (B), che ruota attorno allo stesso asse (A) attorno al quale ruota il pendolo ad essa solidale, controlla il moto della ruota di scappamento (E) attraverso le leve D che interagiscono con i denti o caviglie G attraverso una unica superficie che è contemporaneamente di riposo e d’impulso ed ha forma ed orientamento tali da conseguire un funzionamento "a rinculo". Per semplificare la rappresentazione grafica del sistema abbiamo adottato l’artificio di ruotare di 90°, ponendolo in posizione verticale, il corpo C dell’ancora che normalmente è orizzontale ed attraverso i cui bracci passano le caviglie della ruota di scappamento per poter interagire con le leve D. In Fig.3 è presentato l’intero sistema di scappamento, con l’ancora (ed annesso pendolo, non mostrato in figura) nella sua posizione di massima escursione antioraria. In questo momento la leva di entrata D, quella di sinistra, sta tenendo ferma una delle caviglie della ruota di scappamento. A partire dal momento stesso in cui la caviglia della ruota di scappamento e la leva dell’ancora entrano in contatto, quest’ultima ferma la ruota ricevendone contemporaneamente una spinta che tende a farla ruotare (nel caso in figura, in senso orario), imprimendo al pendolo una coppia che lo mantiene in moto recuperandone le perdite di energia causate dagli attriti. In Fig.4 è mostrata la posizione simmetrica rispetto a quella della Fig.3, ovvero la massima escursione oraria dell’ancora (B) che, come mostra la freccia in alto, disegnata in corrispondenza del suo stelo, sta ricevendo una spinta in senso antiorario.

Lo scappamento adottato è detto a rinculo perché, quando le leve dell’ancora entrano in contatto con le caviglie della ruota di scappamento, il pendolo viene in realtà frenato nella sua oscillazione dalla ruota, che a sua volta ne riceve una spinta che la fa tornare indietro, ruotando leggermente in senso antiorario. Il risultato è che l’ampiezza di oscillazione del pendolo viene ridotta e il periodo abbreviato, al punto che questa caratteristica dello scappamento a rinculo è stata sfruttata spesso per accelerare pendoli che, a causa di un impulso eccessivo tendevano ad avere ampiezze di oscillazione troppo ampie, cui corrispondono (a causa di un errore di isocronismo che non approfondiremo in questa sede) periodi di durata più lunga.

Nel nostro caso, questa caratteristica di auto-recupero dell’isocronismo dello scappamento a rinculo può aiutare ad ottenere una buona precisione dell’orologio, nonostante le variazioni nella forza motrice, negli attriti e nell’accoppiamento fra le ruote, inevitabili nel funzionamento di esemplari realizzati con un processo di autocostruzione amatoriale, per quanto curato possa essere.

Abbiamo già visto nell’articolo precedente che la lunghezza determinata sperimentalmente per il nostro pendolo (intesa dall’asse di sospensione al centro della massa di ottone posta all’estremità inferiore dell’asta) deve essere superiore a quella teorica calcolabile per un pendolo semplice di pari periodo, pari a

l = T2:4p2 x 9,81

che nel nostro caso (un pendolo con periodo 2 secondi; 3.600 alternanze/ora) porta al risultato di

1 = 22:(4 x 3,14162) x 9,81 = 9,81:9,87 = 0,994 metri,

Abbiamo anche già detto che sussistono diverse ragioni che spiegano questa apparente incongruenza: ad esempio, come appena detto, le formule pubblicate valgono per un pendolo semplice; nel nostro pendolo, invece, la presenza in prossimità del punto di sospensione di una serie di elementi abbastanza pesanti, necessari a realizzare il dispositivo di scappamento, oltre alla massa di tutto il sistema di sospensione (l’asta), ne allontana non poco la struttura dallo schema teorico del pendolo semplice, che prevede un’asta inestensibile di massa nulla e tutta la massa del sistema concentrata all’estremità inferiore.

Ora che abbiamo appreso anche una delle particolarità del nostro sistema di scappamento (a rinculo) possiamo aggiungere anche questa (la riduzione del periodo di oscillazione) fra le cause della necessità di una maggiore lunghezza dell’asta del pendolo, fissata sperimentalmente in circa 113 cm.


 

  

Fig. 1 e 2 pag.130

A sinistra: In figura è mostrato lo schema di uno scappamento ad ancora svizzera. Il moto oscillatorio del bilanciere è rappresentato dalla freccia rossa in alto in figura (che in questa fase indica una rotazione antioraria). Il bottone del bilanciere (che ruota solidalmente al bilanciere stesso) è rappresentato dal punto blu in alto a destra e l’intero sistema è mostrato in corrispondenza della massima escursione antioraria della rotazione del bilanciere. Nella posizione mostrata in figura, l’interazione del bottone con la forchetta dell’ancora la ha costretta a ruotare in senso orario fino a che il suo dente di destra non ha fermato la rotazione della ruota di scappamento (in basso) che ha appoggiato uno dei suoi denti alla superficie di riposo della leva di uscita.

A destra: In questa figura si vede il bottone del bilanciere mentre ha appena finito di liberare la ruota di scappamento, che a sua volta sta imprimendo un impulso motore al pendolo, nello stesso senso del suo attuale moto di rotazione. L’impulso viene impresso al bilanciere, grazie alla spinta operata dal dente che viene liberato, sulla superficie d’impulso della leva di uscita dell’ancora; questa viene fatta ulteriormente ruotare in senso antiorario e spinge a sua volta il bottone del bilanciere ancora impegnato nella forchetta.


 

  

Fig. 3 e 4 pag.131

A sinistra: Fig.1 – I disegni pubblicati esemplificano il funzionamento dello scappamento impiegato nel nostro orologio. Caratteristiche e funzionamento sono descritti nel testo a pag.132

A destra: Fig.2 – Le lettere contraddistinguono i vari componenti come dal seguente elenco:

A) Perno di sospensione del pendolo. B) Stelo dell’ancora. C) Bracci dell’ancora. D) Leve dell’ancora. E) Ruota di scappamento. F) Perno della ruota di scappamento. G) Denti o caviglie della ruota di scappamento.

Da notare che, allo scopo di semplificarne la rappresentazione grafica, i bracci (C) dell’ancora nel disegno sono ruotati di 90°, dalla posizione orizzontale visibile nella foto di pag.133 a quella verticale delle figure qui sopra.


 

Foto 5 pag 132

L’orologio fissato ad una parete. L’ingombro totale è di circa 140 per 80 centimetri ed il bordo inferiore, per consentire una adeguata corsa utile al peso motore, va posto ad almeno 70 cm da terra. In questo modo la riserva di carica che si consegue è di circa 42 ore


 

Foto 6 pag 133

La foto mostra il sistema di scappamento, cui si riferiscono i disegni di pag. 131. Si nota fra l’altro un particolare della sospensione dell’asta del pendolo, costituito dall’archetto in alto sostenuto dalla vite di regolazione, che è strutturato in modo da escludere la trasmissione all’asta di sollecitazioni capaci di spostare il pendolo dal suo piano di oscillazione naturale, parallelo alla parete di appoggio.


 

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Terza parte

Quarta parte

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