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I primi segnatempo
Fino al XIII secolo, l’unico modo di misurare il tempo era l’osservazione del sole, o tramite congegni in cui il flusso costante di sostanze quali l’acqua o la sabbia potesse essere messo in correlazione con il passare del tempo. In una clessidra ad acqua, ad esempio, il liquido cola in un recipiente e le ore sono misurate in base al livello raggiunto. Con questo tipo di invenzioni, sebbene siano stati raggiunti alti livelli di sofisticazione, non è possibile ottenere un’ottima precisione.
Un primo passo avanti verso l’ottenimento di una maggiore precisione si ebbe con la scoperta che il tempo poteva essere suddiviso in piccoli intervalli, misurabili, piuttosto che essere considerato come un flusso continuo. I primi orologi meccanici apparvero in Italia nel 1300 circa, ma la precisione rimase un problema per altri 300 anni. La stessa parola «ora» acquistò il significato di un preciso intervallo di tempo solo nel XV secolo; le parole «minuto» e «secondo» nel loro significato moderno seguirono nel XVI secolo.
L’oscillazione
Tutti gli orologi moderni – fino all’ultimo nato tra gli orologi atomici precisi al secondo per 30 milioni di anni – dipendono dall’oscillazione. Un oscillatore è un congegno che si muove in un modo ritmico costante. Questo movimento regolare divide il tempo in segmenti che possono essere contati.
Il miglior esempio di oscillatore è il pendolo, progettato dall’orologiaio per compiere un certo numero di oscillazioni in un intervallo di tempo definito. (Nella maggior parte delle pendole, ad esempio, si ha un’oscillazione ogni secondo.) Il tempo di oscillazione dipende dalla lunghezza del pendolo.
Orologi meccanici
Un pendolo non permette il trasporto e si è pertanto dovuto studiare un congegno che svolgesse la stessa funzione in un orologio da polso.
In un orologio meccanico, l’oscillazione è fornita dal bilanciere azionato da un meccanismo chiamato scappamento che viene messo in movimento da una serie di ruote e rocchetti tramite la carica di una molla. Esistono diversi tipi di scappamento, ma tutti hanno la funzione di tradurre il movimento rotatorio dell’ingranaggio in intervalli controllati.
Lo scopo degli ingranaggi è doppio: da una parte rallentano la velocità del bilanciere e dall’altra guidano le lancette dell’orologio.
Per continuare a funzionare, la molla di un orologio meccanico deve essere caricata periodicamente.
Orologi al quarzo
In un orologio al quarzo l’oscillatore è un cristallo di quarzo, che ha la proprietà di vibrare in presenza di un campo elettrico. L’alta frequenza delle vibrazioni significa che un un orologio di questo tipo è molto preciso, con uno scarto di circa un minuto in un anno.
Il quarzo è utilizzato in un circuito elettrico dove la frequenza di oscillazione è regolata attentamente. Sebbene le proprietà del quarzo fossero già state scoperte verso la fine del XIX secolo (e utilizzate, ad esempio, nei primi esemplari di radio), bisognò attendere fino agli anni ’60 perchè apparissero i primi circuiti integrati sufficientemente piccoli da consentirne l’inserimento in orologi da polso.
Al contrario degli orologi meccanici, dove la fonte di energia è la molla, un orologio al quarzo ha bisogno di una minuscola batteria (pila) che dura generalmente per alcuni anni.
Orologi atomici
L’orologio atomico usa l’oscillazione di atomi di cesio-133. Il vantaggio di utilizzare gli atomi sta nel fatto che questi oscillano sempre in modo molto veloce e esattamente con la stessa frequenza. Inoltre, al contrario dei cristalli di quarzo che soffrono, ad esempio, gli sbalzi di temperatura, gli atomi non subiscono nessuna influenza dall’ambiente esterno.