L’attività laboratoriale prende l’avvio dalla problematica storica nelle sue grandi linee al fine di restituire alle idee il loro carattere originario di scoperta e novità e contribuire, in modo essenziale, a costruire intorno ai concetti, significati, applicazioni, aperture interdisciplinari. Nello specifico, si inizia aprendo una finestra a carattere filosofico per mezzo dell’opera Le
Confessioni di Agostino, dove nell’undicesimo libro viene analizzato il problema del tempo: Quid est ergo tempus? si nemo ex me quaerat, scio; si quaerenti explicare velim, nescio2.
Agostino fu il primo a parlare di tempo soggettivo, iniziando la propria riflessione sul tempo dalla constatazione che non appena si cerchi di fissarlo in qualche modo, di descriverlo o di misurarlo esso si dissolva in nulla. Non si può definire il tempo utilizzando categorie proprie dello spazio, in quanto il tempo non è in sé, non è una cosa, ma una relazione, un rimandare ad un sistema di riferimento, un essere percepito da un soggetto senziente. Nel IV secolo a.C. Agostino si interroga già, pur in termini non formali, sulla possibilità di misurare il tempo attraverso unità di misure prefissate3; a questo punto è d’uopo la riflessione sul fatto che il
tempo non è categorizzabile se con le categorie se ne riorganizzino i significati al di fuori degli spazi di senso del percipiente.
Le suddette considerazioni conducono in maniera naturale all’apertura di nuova finestra, questa volta sulla Fisica; finestra molto più ampia in modo da rivolgere attentamente lo sguardo sul grande sforzo compiuto inerente la creazione di dispositivi per una misurazione precisa del tempo, sin dagli inizi della storia documentata fino ad oggi. Il concetto di tempo è sostanzialmente diverso da quello di lunghezza; per misurare quest’ultima si può usare un metro rigido, ma un intervallo di tempo campione può essere utilizzato una sola volta. Un requisito fondamentale per una misurazione del tempo è un “processo ripetitivo regolare” e numerabile; in altre parole, si deve ricorrere a processi periodici; gli orologi non sono altro che dispositivi (meccanici, elettrici, etc.) che realizzano un opportuno fenomeno periodico. A questo punto del percorso l’attenzione viene focalizzata sull’orologio meccanico, ossia come dispositivo composto non di un punto materiale ma di un insieme di oggetti di dimensioni finite, che però interagiscono tra loro secondo le leggi della meccanica sotto l’azione di forze (la molla di carica). Gli orologi meccanici più comuni sono quelli da polso, a bilanciere, con scappamento ad àncora e motore a molla, rotismo azionante tre lancette indicanti rispettivamente le ore, i minuti e i secondi. Nel dettaglio, una molla d’acciaio contenuta in un tamburo (bariletto), opportunamente armata mediante il meccanismo di carica, costituisce il motore che fornisce l’energia necessaria ad azionare il rotismo e l’oscillatore (Fig.1).
Il rotismo è formato da due serie di ruote dentate: la principale comprende quattro ruote coassiali ad altrettanti pignoni, ciascuno dei quali ingrana con la ruota precedente (“ruota centro”, il cui pignone ingrana con la corona dentata del bariletto, “prima intermedia”, “seconda intermedia”, “ruota di scappamento”). Dall’asse della ruota centro, che si prolunga attraverso il foro centrale del quadrante e sostiene la lancetta dei minuti, mediante un sistema a frizione si dirama la seconda serie di ruote che comprende il demoltiplicatore, che fa girare la lancetta delle ore e il meccanismo di “messa all’ora”, comandato dal bottone di carica.
2 Che cosa è allora il tempo? Se nessuno me lo chiede, lo so; se cerco di spiegarlo a chi me lo chiede, non lo so.
3 come si misura “la lunghezza di un carme dai versi, e i versi dai piedi, e i piedi dalla lunghezza delle sillabe. […] Ma può accadere che un verso breve, pronunziato più lentamente, si senta per una durata maggiore di tempo che un verso più lungo recitato più rapidamente” (Agostino, 396-398, XI, 26).
Figura1: Dispositivo dell’orologio meccanico
Negli orologi da polso a movimento meccanico, dunque, il tempo viene scandito da una molla che comanda il moto di un equipaggio chiamato bilanciere, in grado di oscillare in un piano qualsiasi. Questa molla sottilissima, arrotolata appunto in forma di spirale, grazie alle sue oscillazioni regolari detta il ritmo al movimento e regola la marcia del tempo.
La spirale, pur essendo uno dei componenti più piccoli di un movimento meccanico, è determinante in quanto svolge un ruolo fondamentale per la precisione del movimento. Essa costituisce il cuore dell’orologio, la spira centrale è fissata alla virola montata sull’asse del
bilanciere, mentre quella più esterna lo è al pitone, fissato al ponte del bilanciere (Fig.2).
Figura 2: Sistema bilanciere-spirale
La spirale ha il compito di rendere uniforme il periodo del bilanciere (di rendere le sue oscillazioni isocrone) e costituisce con questo un tutt’uno chiamato, comunemente, sistema
La spirale piana fu applicata per la prima volta nel 1675 da Huygens4.
Considerata come una chiave per l’accuratezza di un movimento, la spirale è stata oggetto di molte ricerche, soprattutto in relazione alla scelta del materiale per la realizzazione.
L’isocronismo del bilanciere è stata da sempre la grande sfida per gli orologiai e progettisti di movimenti. I fattori chiave che interrompono l’isocronismo sono:
• l’asimmetria della fase di contrazione e di espansione della spirale (il respiro); • il variare dell’elasticità della spirale in risposta ai mutamenti di temperatura; • l’influenza dei campi magnetici;
• variazioni termiche e meccaniche ai due punti di collegamento della spirale; • l’influenza della forza centrifuga e della gravità sulla spirale;
• equilibrio dinamico inadeguato del bilanciere.
Fin da quando è nata la spirale, molti tentativi sono stati fatti per eliminare questi problemi e Breguet5, famoso e ingegnoso orologiaio svizzero, ha determinato un punto di svolta nella storia
sia in termini di materiale utilizzato sia in termini di geometria. Nel 1795 Breguet modificò la forma della spirale spostando l’estremità esterna verso l’asse del bilanciere, secondo una curva calcolata con precisione. Grazie a questa curva, denominata curva di Breguet, la spirale assume un andamento concentrico e l’orologio acquista precisione.
Rispetto ad una spirale piana, questa nuova configurazione dove la spira esterna si eleva leggermente a gomito, al di sopra del piano su cui giace il resto della spirale, verso l’interno consente di ripartire meglio il peso della spirale, rispetto alle configurazioni tradizionali minimizzando gli effetti della gravità terrestre sulla precisione di marcia di un orologio.
In concreto, la spirale di Breguet (Fig.3) è una spirale piana, costituita da 12 giri completi, che presenta l’ultima spira sopraelevata e leggermente incurvata al fine di migliorare l’isocronismo.
Figura 3: Spirale di Breguet
4 Christian Huygens (1629-1695), matematico e fisico olandese con notevoli meriti teorici e scoperte scientifiche nel campo dell’astronomia e dell’ottica. La storia dell’orologeria gli riconosce l’applicazione del pendolo di Galileo all’orologio e l’invenzione del bilanciere per gli orologi portatili. Nel 1656 aveva curato l’applicazione del pendolo agli orologi fissi, nel 1675 inventò l’applicazione di una molla a spirale concentrica che, applicata al bilanciere, consentisse a questo di oscillare con la forza elastica della molla di sottile acciaio. Questo garantiva al bilanciere delle oscillazioni isocrone che quindi determinavano una maggiore precisione dell’orologio.
5 Abraham-Louis Breguet (1747-1823), all’età di 28 anni, avvia una propria attività aprendo la manifattura orologiera in Quai de l’Horloge, impegnandosi nel perfezionamento tecnico dei meccanismi degli orologi e nello sviluppo e nell’invenzione di complicazioni e soluzioni tecniche sempre nuove, tanto che oggi il suo contributo all’evoluzione della tecnica orologiera è considerato decisivo, vitale ed imprescindibile. Grazie alla sua maestria tecnica e al suo innegabile gusto estetico, ha affascinato la nobiltà e l’alta borghesia, tanto da divenire il principale fornitore di orologi della regina Maria Antonietta prima, dell’intera corte di Versailles poi.