Orologio al quarzo : cosa e’, come funziona, come e’ stato inventato, e’ davvero tanto preciso? La risposta a queste e molte altre domande in questo articolo.
Possiamo credere o no all’astrologia, ma non c’è dubbio che i pianeti governano la nostra vita. Ci alziamo quando il Sole sorge (anche un po’ dopo) e andiamo a letto quando tramonta. Abbiamo un calendario basato su giorni, mesi e anni che sono archi di tempo che si riferiscono a come la Luna e la Terra si muovono intorno al Sole nel cielo.
Per la molti secoli della storia, le persone hanno trovato questo tipo di “cronometraggio astronomico” abbastanza valido per le proprie esigenze.
Ma mentre la vita diventava sempre più frenetico e sofisticato, la gente aveva bisogno di misurare ore, minuti e secondi e non solo giorni, mesi e anni. Ciò significava aver bisogno di modi precisi per misurare il tempo a disposizione. Gli orologi a pendolo e gli orologi meccanici erano il modo migliore per farlo.
Oggi, molte persone usano un orologio al quarzo, ma che cosa sono e come funzionano?
Per capire come funzionano gli orologi al quarzo occorre prima fare un passo indietro…
Come funzionano gli orologi non al quarzo?
Sappiamo tutti che un orologio tiene il tempo, ma vi siete mai fermati a pensare a come riesce a farlo?
Nota: la faccio facile …
Probabilmente l’orologio più semplice che si potrebbe fare è un orologio a voce. Se si contano i secondi ripetendo una frase che richiede esattamente un secondo per essere pronunciata (come “elefante uno”, “elefante due”, “elefante tre” …), ti accorgerai che è possibile tenere il tempo abbastanza accuratamente. Prova!
Conta i tuoi elefanti da uno a sessanta e vedrai quanto bene quanto poco scarto avrai rispetto al ad un vero orologio.
Non male, eh?
Il problema è che la maggior parte di noi ha cose migliori da fare tutto il giorno piuttosto che dire “elefante”. Ecco perché hanno inventato gli orologi!
Alcuni dei primi orologi utilizzavano pendoli oscillanti per tenere il tempo. Un pendolo è un’asta lunga o un peso su una corda che oscilla avanti e indietro. Nel 1583, il fisico italiano Galileo Galilei (1564-1642) scoprì che un pendolo di una certa lunghezza impiega sempre lo stesso tempo per oscillare avanti e indietro, indipendentemente dalla sua pesantezza o dalla grandezza dell’oscillazione.
Ha capito questo guardando una lampada enorme che oscillava su una catena dal soffitto del Duomo di Pisa.
In un orologio, il compito del pendolo è quello di regolare la velocità degli ingranaggi (ruote interbloccanti con denti ai loro bordi).
Gli ingranaggi contano il numero di secondi che passano e li convertono in minuti e ore, visualizzati sulle lancette che girano intorno al quadrante dell’orologio.
È possibile fare un orologio a pendolo legando un peso ad un pezzo di corda. Se la corda è lunga circa 25, il pendolo oscillerà avanti e indietro approssimativamente una volta al secondo. Le corde più corte oscillano più velocemente e quelle più lunghe più lentamente.
Il problema di un orologio come questo è che il pendolo continua a fermarsi. La resistenza all’aria e l’attrito consumeranno presto la sua energia e lo fermano. Ecco perché gli orologi a pendolo sono dotati di molle.
Una volta al giorno circa (dipende dal tipo di orologio, sto generalizzando), si avvolge una molla all’interno dell’orologio per immagazzinare l’energia potenziale per mantenere il pendolo in movimento per le successive 24 ore.
Quando la molla si srotola, alimenta gli ingranaggi all’interno dell’orologio. Attraverso un meccanismo a randa chiamato scappamento, il pendolo forza gli ingranaggi a ruotare ad una precisa velocità ed è così che gli ingranaggi mantengono il tempo.
Un orologio da tasca è ovviamente troppo piccolo per avere un pendolo al suo interno, quindi utilizza un meccanismo diverso. Invece di un pendolo, ha un bilanciere che gira prima in un senso e poi nell’altro, controllato da uno scappamento molto più piccolo di quello di un orologio a pendolo.
Premesso questo …
Come funziona un orologio al quarzo?
Il problema degli orologi a pendolo e degli orologi meccanici è che bisogna ricordarsi di caricarli. Se si dimentica, si fermano e non si ha idea di che ora sia.
Un’altra problematica degli orologi a pendolo è che essi dipendono dalla forza di gravità, che varia anche se leggermente da un luogo all’altro; ciò significa che un orologio a pendolo indica l’ora in modo diverso alle alte quote rispetto al livello del mare!
Inoltre i pendoli cambiano lunghezza al variare della temperatura, espandendosi leggermente nelle giornate calde e contraendosi nelle giornate fredde, il che li rende di nuovo meno precisi.
Gli orologi al quarzo risolvono tutti questi problemi.
Sono alimentati a batteria e, poiché consumano pochissima elettricità, la batteria può spesso durare diversi anni prima che sia necessario sostituirla.
L’orologio al quarzo è preciso?
Sono anche molto più precisi degli orologi a pendolo. Gli orologi al quarzo funzionano in modo molto diverso dagli orologi a pendolo e dagli orologi meccanici.
Hanno sempre ingranaggi al loro interno per contare i secondi, minuti e ore e muovere le lancette intorno al quadrante dell’orologio, ma gli ingranaggi sono regolati da un minuscolo cristallo di quarzo al posto di un pendolo oscillante o di un bilanciere mobile.
La gravità non influisce affatto nel funzionamento, quindi un orologio al quarzo indica l’ora senza variazioni sia quando si sale sull’Everest sia quando si è in mare.
Il quarzo suona esotico – qualcosa di strano e fantascientifico – ma in realtà è uno dei minerali più comuni sulla Terra.
E’ formato da un composto chimico chiamato biossido di silicio (silicio è anche lo stesso materiale con cui sono fatti i chip del tuo computer o del tuo telefonino), e si può trovare nella sabbia e la maggior parte dei tipi di roccia.
Forse la cosa più interessante del quarzo è che è piezoelettrico. Ciò significa che se si schiaccia un cristallo di quarzo, genera una piccola corrente elettrica. Anche il contrario è vero: se si passa l’elettricità attraverso il quarzo, esso vibra ad una frequenza precisa (vibra un numero esatto di volte al secondo).
All’interno di un orologio al quarzo o orologio, la batteria invia energia elettrica al cristallo di quarzo attraverso un circuito elettronico. Il cristallo di quarzo oscilla (vibra avanti e indietro) ad una frequenza precisa: esattamente 32768 volte al secondo.
Il circuito conta il numero di vibrazioni e le utilizza per generare impulsi elettrici regolari, uno al secondo.
Questi impulsi possono alimentare un display LCD (che mostra l’ora numericamente) o possono azionare un piccolo motore elettrico (un piccolo motore passo-passo), ruotando le ruote dentate che ruotano le lancette dei secondi, dei minuti e delle ore.
All’interno dell’ orologio al quarzo
Ricapitolando in teoria, funziona così:
- La batteria fornisce corrente al circuito microchip dell’ orologio al quarzo.
- Il circuito a microchip fa oscillare (vibrare) 32768 volte al secondo i cristalli di quarzo (tagliati con precisione e a forma di diapason).
- Il circuito a microchip rileva le oscillazioni del cristallo e le trasforma in regolari impulsi elettrici, uno al secondo.
- Impulsi elettrici azionano un piccolo motore elettrico passo-passo. In questo modo l’energia elettrica viene trasformata in energia meccanica.
- Il motore elettrico passo-passo gira gli ingranaggi.
- Gli ingranaggi ruotano le lancette attorno al quadrante dell’orologio per mantenere l’ora.
Perché gli orologi al quarzo anticipano o ritardano?
Se il quarzo è così sorprendente, potresti chiederti perché un orologio al quarzo non tiene il tempo con assoluta precisione per sempre.
Perché un orologio al quarzo guadagna o perde secondi qua e là?
La risposta è che il quarzo vibra ad una frequenza leggermente diversa a diverse temperature e pressioni, quindi la sua capacità di cronometraggio è influenzata in misura minima dal suo riscaldamento, dal raffreddamento, dall’ambiente in continuo cambiamento che ci circonda.
In teoria, se si tiene sempre indossato sul polso (che è a temperatura più o meno costante), manterrà il tempo meglio che se mette/leva continuamente (causando un cambiamento di temperatura piuttosto importante ogni volta).
Ma anche se il cristallo di quarzo può vibrare a una frequenza perfettamente costante, il meccanismo in cui è montato nel suo circuito, ha piccole imperfezioni nella dentatura, attrito, e può anche introdurre minuscoli errori di tempo.
Tutti questi effetti sono sufficienti per introdurre un’imprecisione nell’ orologio al quarzo fino ad un secondo al giorno nei tipici orologi al quarzo (si tenga presente che un secondo perso un giorno può essere compensato da un secondo guadagnato il giorno successivo, quindi la precisione complessiva può essere pari a pochi secondi al mese).
Ma come funziona il cristallo di quarzo?
Potresti averne abbastanza della spiegazione fatta sinora e se e così puoi smettere di leggere.
Quella che segue è una descrizione più dettagliata su come l’oscillatore a cristalli di quarzo funzioni realmente; dedicata a coloro che vogliono approfondire il discorso.
Ti avverto che, a meno che tu non abbia una laurea in ingegneria elettronica, i discorsi sui circuiti a cristalli di quarzo diventano molto complessi rapidamente. Ti darò una spiegazione molto breve e semplificata su come funzionano e alcuni suggerimenti per ulteriori letture di approfondimento.
La cosa fondamentale da ricordare del quarzo è che è piezoelettrico: vibra quando gli si applica una differenza di potenziale elettrico, o genera elettricità quando si fa vibrare.
Il cristallo di quarzo e’ parte integrante del circuito elettronico che regola il funzionamento dell’orologio al quarzo. Lo si riconosce chiaramente a prima vista guardando il movimento di un orologio al quarzo. E’ quel piccolo cilindro, normalmente di color argento collegato al circuito stampato tramite 2 piedini.
Dico “circuito” ma è più corretto pensare che l’oscillatore sia parte di due circuiti separati, entrambi sullo stesso microchip. Il primo circuito (che chiameremo ingresso) stimola il cristallo di quarzo con raffiche di elettricità. Alimentare il quarzo con elettricità lo fa vibrare (o, se preferisci, oscillare o risuonare) attraverso quello che viene a volte chiamato l’effetto piezoelettrico (dove l’elettricità produce vibrazioni). L’oscillatore è impostato in modo che il quarzo vibri esattamente 32768 volte al secondo.
Ricordi l’effetto piezoelettrico? Quando un pezzo di quarzo vibra, genera una tensione elettrica. Il secondo circuito del microchip rileva questa “tensione di uscita” (fluttuante 32768 volte al secondo) e ne divide la frequenza per produrre impulsi una volta al secondo che azionano il motore che alimenta gli ingranaggi.
In un orologio con display digitale, invece di utilizzare ingranaggi, un chip divide ripetutamente la frequenza dell’oscillatore per guidare i segmenti delle ore, dei minuti e dei secondi.
In uno dei primi tipi di oscillatore al quarzo, il cristallo di quarzo aveva due set di elettrodi montati su di esso. Il primo set collegato al circuito di ingresso e alimentato con corrente elettrica nel cristallo per farlo vibrare.
Quando il cristallo vibrava, generava una tensione piezoelettrica. Ciò veniva rilevato dalla seconda serie di elettrodi (incollati su una parte diversa dello stesso cristallo) che alimentavano il circuito di uscita.
Quando la tecnologia al quarzo fu miniaturizzata per essere utilizzata negli orologi da polso compatti, divenne chiaro che erano necessari oscillatori più piccoli e che non c’era spazio per due coppie di elettrodi.
Ecco perché gli oscillatori moderni utilizzano un’unica coppia di elettrodi sia per stimolare il cristallo con energia che per rilevarne le vibrazioni.
Questo e’ tutto. Alla prossima!
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