PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Einstein diceva: “non hai veramente capito qualcosa finché non sei in grado di spiegarlo a tua nonna”
in queste pagine cerco di illustrare le particolarità dei movimenti elettrici, considerando tali (come detto nell’introduzione) quelli mossi da un impulso elettrico, con o senza componenti elettronici, prodotti prima dei veri e propri orologi al quarzo
sicuramente l’avventuroso lettore di queste pagine conosce l'argomento meglio di mia nonna, comunque spero tenga conto che ho nozioni molto superficiali di orologeria: sono solo un appassionato, non un tecnico del settore (e tantomeno Einstein)
una breve parentesi: se vi càpita di vedere un orologio simile a quello della foto qui sotto sappiate che la maggior parte degli ingranaggi (o, tecnicamente: ruote) è messa lì solo per figura e non serve assolutamente a nulla
un simpatico orologio da parete ... con qualche ruota di troppo
passando a discorsi più concreti, per cominciare cerchiamo di capire - almeno in linea di massima - come funzionano un orologio meccanico ed un movimento al quarzo
partiamo da quest’ultimo
essenzialmente abbiamo:
> una batteria
> un oscillatore al quarzo
> un circuito integrato (chip)
> e, alternativamente:
- un micromotore / le lancette ed i relativi ingranaggi
- oppure un display a LED o LCD
per averne un'idea più chiara niente è meglio di un'immagine, e qui ne abbiamo due, nella descrizione dei vari elementi di un movimento al quarzo in una pubblicità del 1975 del Certina Quartz calibro 29-252 (=ESA 9181) e nel libretto di un Girard-Perregaux cal. 350 (1971 circa - visto con gli occhi di oggi il testo di quest'ultimo è piuttosto curioso, soprattutto la dicitura relativa al trimmer di "regolaggio"):
ritaglio pubblicità Certina Quartz (1975)
pubblicità Certina Quartz (1975) - ringrazio l'amico Alessio ( the-gallas27 ) per lo scan
il quarzo ha diversi moti di oscillazione, anche a seconda della forma
il quarzo, in forma di cristallo, è dotato di proprietà piezolettrica: se viene compresso si carica elettricamente (di segno Å e y alle estremità opposte) e, al contrario, caricando elettricamente le facce opposte (rispettivamente con segno Å e y), produce una vibrazione di una frequenza fissa, costante nel tempo, che dipende dalla sua forma e dimensione [elettrostrizione o piezoelettricità inversa]
in orologeria si utilizzano quarzi sintetici e normalmente si fa in modo che l'oscillazione sia di ca. 32 KHz, ritenuta la più idonea allo scopo (per l’esattezza: 32.768 Hz, e cioè vibrazioni al secondo)
il chip “conta” questi impulsi, o, meglio, li divide per due – a mezzo di circuiti detti “flick-flock” (o, anche, “flip-flop”), ottenendo 16.384, poi 8.192 [per inciso: la frequenza alla quale funzionava il primo movimento al quarzo svizzero del 1970, il calibro “Beta 21”] fino ad avere un singolo impulso ogni secondo
per ottenere questo risultato sono quindi necessari 15 di questi circuiti, posti in serie ("a cascata")
l'impulso viene trasmesso al micromotore che fa avanzare di uno scatto la ruota della lancetta dei secondi, e via via gli altri ruotismi utilizzati per indicare il tempo - sostanzialmente gli stessi di un orologio analogico
nota: avendo citato il Beta 21 devo precisare che in quel caso le oscillazioni venivano ridotte fino a 256 Hz, frequenza alla quale operava un motore sincrono
in un movimento al quarzo i ruotismi possono essere anche solamente quattro, come nell'immagine a lato (tratta da EU), che
schematizza un treno del tempo senza indicazione dei secondi:
1 - micromotore
2,4 - riduttori
3 - ruota dei minuti
5 - ruota delle ore
la forma più adatta per un risonatore è quella del diapason
nel caso di display a LED o LCD non vi sono elementi meccanici o parti in movimento
per contro il chip non contiene solamente componenti che gestiscono l’oscillatore al quarzo, ma deve avere anche, almeno, una memoria che “ricorda” l’ora quando non viene indicata (se si tratta di display a LED normalmente è spento perché consuma parecchia corrente, e si accende solo a comando; se è a LCD, in orologio multifunzione l'ora non viene mostrata se vengono selezionati la data, un contatore cronografico o la sveglia), oltre ad un circuito che gestisce il display alimentandone i settori che consentono di formare le cifre leggibili (“display driver”)
a proposito del quarzo e dei display LCD ci sono due pagine alla voce "curiosità / modelli particolari"
[ le immagini sono tratte da Wikipedia ]
in un orologio meccanico la spinta è data da una molla, caricata manualmente a mezzo della corona o, in quelli automatici, da un rotore che agisce con il movimento del polso (quando l’orologio viene indossato: se non lo si utilizza deve venire comunque caricato a mano)
la molla spinge tutti gli ingranaggi, per conseguenza l’orologio meccanico girerebbe vorticosamente, se non ci fosse un elemento che ne costituisce “il cuore”: il bilanciere con il relativo scappamento, che lo rallenta “battendo il ritmo” in modo adeguato a segnare il tempo esatto
in sostanza lo scappamento consente al movimento di avanzare solamente quando il bilanciere ha compiuto la sua rotazione
è più semplice partire dall’orologio a pendolo, che, se il movimento ha lo scappamento "ad ancora" (il più comune, anche se ve ne sono altri diversi tipi) ha l'aspetto schematico dell'immagine qui a lato
gli elementi raffigurati sono:
a) asta del pendolo
b) massa oscillante
c) vite di regolazione
d) molla di sospensione del pendolo
e, f) astina e forchetta collegati allo: scappamento ad ancora (h)
g) ruota dello scappamento
Lo scappamento fa sì che quando il pendolo si trova ad una estremità del suo percorso viene spinto nella direzione opposta, e contemporaneamente la ruota dentata avanza di uno scatto. Una volta che il pendolo è giunto all'estremo opposto della traiettoria il processo si inverte e la ruota avanza di un altro scatto – trasmettendo poi il moto al “treno del tempo”
"Anchor escapement" di Timwether - Opera propria. Con licenza CC BY-SA 3.0 tramite Wikimedia Commons
lo scappamento ad ancora di un orologio a pendolo visto "dal vivo" in un'immagine ravvicinata
"Anchor escapement animation 217x328px" di Chetvorno - Opera propria. Con licenza CC0 tramite Wikimedia Commons
l'andamento dell'ancora - collegata al pendolo - e la ruota dello scappamento in questa animazione, semplificata al massimo ma molto efficace per comprenderne il funzionamento
in un orologio da polso (o, anche, da tasca) è il bilanciere a svolgere la funzione del pendolo
in questo schema si vede l’insieme di un movimento con, evidenziati in giallo, da sinistra a destra:
la ruota dello scappamento, l’ancora dello scappamento – che vi si incastra (con dei "denti" formati da rubini), il braccio a forchetta dello scappamento, collegato al volano del bilanciere
[al di sopra della ruota dello scappamento e ad essa collegati vi sono i ruotismi che comandano le lancette]
parti che sono illustrate separate il quest’altro schema (l'immagine è invertita rispetto a quella di sopra - volano a sinistra, ruota di scappamento a destra): la freccia indica il bottone (o: dardo) del bilanciere al quale lo scappamento è collegato tramite il braccio a forchetta; i denti dell'ancora sono colorati di scuro
il funzionamento risulta più chiaro in questa animazione: si vede bene come il bottone presente sull’anello concentrico all’asse del bilanciere ingaggia il braccio a forchetta dello scappamento
lo spostamento laterale del braccio del bilanciere viene fermato dalle c.d. “spine di limitazione” (qui non raffigurate)
a quest’indirizzo un’altra bella animazione, più dettagliata e con la descrizione delle varie fasi di funzionamento:
[peraltro sono interessanti tutte le pagine del glossario, facilmente raggiungibili da quel link]
riassuntivamente: la forza che la molla di carica imprime agli ingranaggi del movimento - tramite la ruota dello scappamento, la relativa ancora e l'asta a forchetta di quest'ultima, che opera una spinta sul bottone del bilanciere - fa ruotare il volano del bilanciere, che, sotto l’azione di compressione/decompressione della molla a spirale, oscilla intorno alla sua posizione di equilibrio
come detto la rotazione del volano fa oscillare il braccio a forchetta dello scappamento e per conseguenza l’ancora si muove in maniera intermittente: quando un estremo dell’ancora si libera da un dente della ruota dello scappamento ne riceve una spinta e l’altro estremo dell’ancora si inserisce fra due denti, fermando la ruota di scappamento ad intervalli regolari e dando al movimento un moto adeguatamente ritmato
in questo modo la forza motrice esercitata dalla molla di carica viene regolata dal gruppo bilanciere/scappamento e poi trasmessa al “treno del tempo”
un interessante filmato che mostra un orologio meccanico nei suoi elementi, visti in “esploso” e come sono assemblati in un movimento da polso:
https://www.youtube.com/watch?v=uGcoIue1Bs8
[anche le immagini sopra riportate sono di Wikipedia o Wikimedia commons]
NOTE:
- il bottone (o dardo) del bilanciere è tipicamente costituito da un rubino, il che rende dispari il numero dei "jewels" presenti in un classico orologio meccanico, solitamente 17 (15 in quelli più antichi) - se avete in mente l'indicazione che veniva quasi sempre riportata sul quadrante; di questi quasi tutti sono posizionati sui perni (pivot) dei vari ingranaggi, più precisamente:
bilanciere: due sull'asse, due nell'incabloc ( o altro sistema "antiurto": al proposito vedi la pagina alla sezione "curiosità"), più uno che forma il dardo (5 in tutto)
àncora: due sull'asse e due che costituiscono i denti che ingaggiano la ruota dello scappamento (quindi sono 4)
ruote: due rubini per ciascuna e precisamente: quella dello scappamento, la ruota centrale e quelle dei minuti e dei secondi ("treno del tempo"), totale: 8
- se avete sentito parlare dello scappamento coassiale - una delle maggiori innovazioni nell'orologeria moderna- e volete saperne di più potete leggere:
http://arretrati.orologi.it/articoli/146/omegabox.htm
http://www.segnatempo.it/pagina.asp?cat=scopri1&prod=coassiale
bellissimo anche il filmato:
https://www.youtube.com/watch?v=uC-97i-SF3Y
pagina interessantissima (e con ottime immagini) riguardante l'evoluzione degli scappamenti da quello storico ad ancora, al coassiale, al "constant escapement" di Girard-Perregaux, fino allo "scappamento a risonanza" ed a nuovi concetti che ne prevederebbero l'eliminazione - secondo studi presentati da ricercatori di Losanna:
L’OROLOGIO ELETTRICO
Detto quanto sopra l’orologio elettrico nasce strutturalmente come un movimento meccanico, con la differenza di essere privo di una molla di carica, e che il bilanciere non ha più solo la classica funzione di regolare il tempo del movimento, ma, anche, quella di farlo materialmente avanzare con gli impulsi che trasmette durante l’oscillazione
infatti il bilanciere diventa il vero e proprio motore dell’orologio, azionato dalla corrente della batteria che induce un campo elettromagnetico fra una bobina posta sul bilanciere ed un magnete fissato sulla base del movimento (orologi elettromeccanici veri e propri, es.: Hamilton) o fra una bobina fissa ed un segmento di metallo posto sul bilanciere ed idoneo a caricarsi magneticamente al passaggio della corrente (elettrodinamici ed elettronici controllati da transistor, es.: Landeron, Dynotron)
L’ELETTROMAGNETISMO
Una breve parentesi riguardante l’elettromagnetismo ed i motori elettrici
presupposto fondamentale: i poli uguali si respingono, quelli di segno opposto si attraggono
parlando dei movimenti al quarzo s’è detto che il treno del tempo è comandato da un micromotore che dà un impulso ogni secondo (lo vedete da come avanzano le lancette)
questo avviene con un motore elettrico cosiddetto “passo-passo” (stepper motor)
qui a lato la rappresentazione grafica
all’interno il rotore (elettromagnete), all’esterno delle bobine in filo di rame
in A) il passaggio della corrente dalle bobine poste ad ore 12 e 6 polarizza il magnete del rotore, il cui lato positivo è attirato dalla bobina di polo negativo;
in B) la corrente viene fatta passare fra le bobine poste ad ore 2 ed ore 8, il punto di attrazione fra i poli si sposta, il rotore si muove di uno scatto
e così via
potete leggere di più su:
http://it.wikipedia.org/wiki/Motore_passo-passo
http://it.wikipedia.org/wiki/Motore_sincrono
il motore elettrico sincrono ruota in continuo anziché a scatti; ve ne sono anche di “passo-passo” più complessi, che compiono la rotazione con movimenti più graduali, come nell’animazione a fianco
tornando all’argomento, il medesimo il principio dell’attrazione fra le bobine ed il magnete (che può essere un magnete permanente o un elettromagnete), è utilizzato negli orologi elettrici per azionare il bilanciere - che, ovviamente, a differenza di un motore elettrico, non ruota completamente su se stesso, ma, in base a tale fenomeno, viene portato da un estremo all’altro della sua oscillazione, ritornando indietro sotto l’azione della molla: a tal fine il passaggio della corrente dovrà essere istantaneo, interrompendosi nel momento opportuno, e vedremo come
Il Landeron 4750 in funzione sull'apposita basetta per gli interventi di regolazione
FUNZIONAMENTO
Per capire il funzionamento di un orologio elettrico (senza componenti elettronici), prendiamo come esempio il calibro Landeron 4750 - decisamente il più bello fra i movimenti di questo tipo
la caratteristica che maggiormente lo contraddistingue è la grossa bobina annegata in resina bianca, formata da 3.000 spire di rame sottili 0,03 mm, con due lamine alle sue estremità, attraverso le quali si forma un campo magnetico che attrae a sé la c.d. “armatura mobile” in ferro dolce, a forma di croce, saldata parallelamente al volano del bilanciere
la bobina viene sottoposta a corrente solamente quando una camma presente sul bilanciere, giunto al punto terminale della sua rotazione, comprime due sottili lamine dorate che chiudono il circuito
si possono esaminare gli schemi e la descrizione così come riportati nel relativo manuale tecnico
MOTORE E CONTATTI
L’immagine è accompagnata dal testo seguente:
In aggiunta al bilanciere e volano che si trovano negli orologi del tipo usuale, l’asse del bilanciere regge una “armatura mobile” [di ferro dolce] con quattro bracci saldati sotto il bilanciere (11) ed un anello dotato di una camma [lett.: dito di contatto] (10). Il bilanciere, dopo essersi mosso all’estremo dalla sua posizione di equilibrio [o: di riposo], vi ritorna sotto l’azione della molla a spirale, muovendosi nella direzione della freccia (I) . Nel suo punto di quiete la camma toccherà il filo di contatto (6). In questo modo il circuito elettrico viene chiuso e la corrente scorre come segue: dal polo negativo (y) della fonte di alimentazione raggiunge il terminale di output (3) dello statore del motore. Quindi, attraverso la guida (4) raggiunge l’unità di contatto (5) ed i fili di contatto (6) e (8). Quindi la corrente completa il suo circuito passando dai fili di contatto (6) e (8) alla camma (10) e, attraverso l’asse del bilanciere, l’anello, la molla del bilanciere, il perno [di fissaggio] della molla del bilanciere e l’intero corpo del movimento, raggiunge il polo positivo (Å) della fonte di alimentazione. Il flusso di corrente attraverso gli avvolgimenti [della bobina] magnetizza le lamine fisse (12) dello statore del motore. L’armatura mobile (11) viene quindi attratta in direzione della freccia (I) mentre la corrente sta fluendo. Non appena ha toccato la molla (6) il bilanciere, ruotando, causa la compressione della molla (8) contro il beccuccio (7) della piastra di contatto, che è anche connessa al polo positivo (Å), figura 40. Ciò chiude il secondo contatto, il cui compito è di rendere più affidabile il funzionamento. Quando l’impulso è stato dato il bilanciere ruota attraverso il suo arco supplementare ed oscilla all’indietro verso la direzione della freccia (II), figure 38 e 39, finché raggiunge la posizione di riposo. La lancetta di contatto (10) tocca la molla di contatto (8), fig. 39, e la corrente nuovamente fluisce attraverso il circuito nella stessa maniera. Il bilanciere riceve un nuovo impulso, ed il secondo contatto viene quindi chiuso fra la molla (6) ed il beccuccio della piastra di contatto (9). Pertanto viene dato un impulso ad ogni oscillazione.
note:
Il bilanciere è costituito da una massa oscillante collegata ad una molla a spirale che, ad un’estremità, è collegata al mozzo del volano, e, dall’altra, ad un punto fisso (pitone): ogni spostamento del sistema fa ruotare il volano che, richiamato dalla molla, compie delle oscillazioni intorno alla sua posizione di equilibrio
Oscillazione: percorso del bilanciere da una posizione estrema all’altra e ritorno alla posizione estrema di partenza. una oscillazione è la somma di due alternanze
Posizione di riposo (o: punto di riposo): posizione di equilibrio che il bilanciere assume quando è fermo e non è sottoposto ad alcuna forza
Arco supplementare: prosecuzione dell’oscillazione del bilanciere dopo l’impulso dato al movimento tramite lo scappamento
nei calibri meccanici questa fase dell'oscillazione avviene per la spinta operata dalla ruota dello scappamento sul bilanciere per tramite dell'asta a forchetta (o: arpione) dello scappamento, che opera sul bottone del bilanciere (come spiegato sopra): ciò non vale in questo caso, perchè è il bilanciere a spingere il movimento tramite gli "impulsi" e non vivecersa
si tratta ad ogni modo di una fase di oscillazione nella quale non viene operato alcun movimento dei ruotismi, ma necessaria comunque a dare al movimento il giusto ritmo
il bilanciere con il volano (color giallo) la c.d. "armatura mobile" (11) in ferro dolce (color grigio), in primo piano la camma (10) al centro e l'anello con il bottone che ingaggia l'asta a forchetta dell'ancora (sulla destra)
bilanciere e camma così come rappresentati graficamente nel manuale
l'unità di contatto (5) vista dalla parte inferiore, con i fili di contatto (6 e 8)
disegno in sezione dell'ancora dello scappamento (4330), il deviatore magnetico ("magnetic shunt") e relativo magnete (4335) fra l'apposito ponte (125) e la platina (100)
Il manuale prosegue la descrizione del movimento con:
SCAPPAMENTO E TRENO DEL TEMPO (*)
Il movimento del bilanciere viene trasmesso al treno del tempo per tramite dello scappamento come segue:
a) ogni volta che il bilanciere passa il suo punto di equilibrio il bottone di spinta sposta il braccio a forchetta (dell’ancora) da una spina di limitazione all’altra. Durante l’arco supplementare l’ancora viene tenuta ferma contro le spine di limitazione dall’attrazione esercitata sul deviatore magnetico [“magnetic shunt”] (fissato sull’asta a forchetta dell’ancora) dall’apposito magnete [lever magnet] fissato sulla platina.
b) Ogni volta che oscilla, l’ancora [“click lever”] guida la ruota dello scappamento [click wheel] avanti di un mezzo passo. La ruota dello scappamento viene fermata dalla molla di frizione della ruota dello scappamento dopo ogni spostamento angolare. [la molla di frizione non è raffigurata nello schema qui sopra, la si può vedere nell’immagine dell’esploso del movimento, è il componente numerato 4385]
c) Il movimento viene trasmesso dalla ruota dello scappamento alle lancette tramite un treno di ruotismi di tipo consueto
NOTA: la presenza di un sistema magnetico che tenga ferma contro le spine di limitazione l'asta a forchetta dello scappamento - quando non è ingaggiata e sospinta dal bottone del bilanciere - è reso necessaria dal fatto che questa, altrimenti, oscillerebbe liberamente, mentre nei movimenti meccanici vi viene spinta dalla tensione esercitata sugli ingranaggi dalla molla di carica attraverso la ruota di scappamento.
per lo stesso motivo quest'ultima necessita della "molla di frizione" per evitare che ritorni indietro dopo ogni passo di avanzamento datogli dall'ancora
(*) La sezione viene titolata con il termine "CLICKWORK" [si badi, non: clockwork = con movimento a molla], nel testo francese "ENCLIQUETAGE": in Italiano si potrebbe tradurre "meccanismo (di avanzamento) a scatti"
allo stesso modo la ruota dello scappamento è denominata "click wheel" anzichè "escapement" e l'àncora "click lever"
presumo che ciò derivi dal fatto che lo scappamento viene spinto dal bilanciere, che funge da motore e, come abbiamo visto, non ha la classica funzione di "frenarlo"
per semplicità continuo ad usare la terminologia "tradizionale".
qui sotto i componenti principali del Landeron cal. 4750 con la relativa numerazione e l’esploso del movimento
sono evidenziato da un trattino rosso:
- ruota dello scappamento (click wheel)
- ancora dello scappamento (click lever)
- deviatore magnetico (magnetic shunt)
- magnete dell’ancora dello scappamento (lever magnet)
- molla di frizione per l’ancora dello scappamento (friction spring for click wheel)
[continua alla pagina seguente]
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abbreviazioni usate nel testo (autori e fonti):
DO = Doensen, “Watch. History of the modern wristwatch” /
doensen.home.xs4all.nl
EL = electric-watches.co.uk
EK = “Elektrik am Handgelenk”
GW = “Complete Price Guide to Watches”
CW = crazywatches.pl
KN = hknebel.org
HW = hwynen.de
EW = “Electrifying the wristwatch”
RW = "The electric watch repair manual"
EU = "Elektrische und elektronische Uhren"
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