Horloge quartz

Movimento al quarzo: funzionamento e storia

Portando una precisione senza precedenti nella storia dell’acquisizione e della visualizzazione del tempo, il movimento al quarzo ha causato una rivoluzione nell’industria degli orologi. Cambiando la nostra vita, era finalmente possibile avere l’ora esatta nella nostra vita quotidiana.

Per capire fino a che punto questo movimento del quarzo ha rivoluzionato il mondo vedremo in questo articolo:

  • Come funziona un movimento al quarzo.
  • La storia del movimento al quarzo.
  • Il movimento al quarzo contro quello meccanico.

1) Funzionamento di un movimento al quarzo

A. Funzione e proprietà del quarzo

Il funzionamento di un meccanismo che utilizza un movimento al quarzo è molto semplice: il quarzo, quando viene stimolato elettricamente, inizia ad oscillare ad una frequenza precisa grazie alle sue proprietà piezoelettriche. Questa frequenza ben calibrata dura esattamente un secondo, ed è quindi molto facilmente utilizzabile dagli orologiai per progettare orologi estremamente precisi. Per ottenere questa ambita frequenza, il quarzo viene tagliato a forma di lamella e poi messo in un tubo di latta per proteggerlo.

Il funzionamento e l’uso in orologeria dipende anche dalla modalità di visualizzazione, digitale o analogica.

B. Movimento al quarzo e display digitale

È molto semplice far funzionare un orologio con un display digitale utilizzando le proprietà del quarzo. La fonte di alimentazione è la batteria, che invierà un impulso al quarzo. Questo impulso crea delle vibrazioni che vengono trasmesse al chip installato nel meccanismo. Questo chip decodificherà poi tutte le vibrazioni ricevute e indicherà al display di incrementare il suo display di uno ogni secondo, poi di un minuto ogni 60 secondi, ecc…

C. Movimento al quarzo e display analogico

Per il display analogico questo è un po’ più lungo e complesso. La batteria, come il display digitale, invierà un impulso al quarzo che lo farà vibrare e lo invierà al chip. Il chip questa volta invierà un impulso elettrico a una bobina del motore passo-passo.

D. Il motore passo-passo

Marius Lavet ha inventato il motore passo-passo nel 1936:

  • una bobina
  • uno statore
  • un rotore magnetizzato

Quando un magnete viene fatto ruotare in un cilindro, produce una corrente elettrica. Anche l’inverso funziona secondo lo stesso principio, cioè l’induzione di una corrente elettrica in una bobina produrrà poi una corrente elettrica.

Il motore passo-passo funziona su questo principio! Il rotore è magnetizzato, quindi viene introdotta una corrente elettrica nella bobina, che crea una corrente magnetica nello statore, causando una mezza rotazione del rotore. Una corrente elettrica viene poi inviata nella direzione opposta per invertire la polarità nello statore, facendo fare al rotore un giro completo. Il movimento del rotore viene poi trasmesso agli ingranaggi, che azionano il meccanismo del quarzo.

Bonus: se si monta uno statore al contrario su un orologio o una sveglia, questo funzionerà al contrario.

2) Storia e invenzione del movimento al quarzo

A. Creatori e primi oggetti

L’effetto piezoelettrico del quarzo è stato inventato, o meglio scoperto, da due fratelli francesi: Pierre e Jacques della famosa famiglia Curie (conosciuta in tutto il mondo grazie al lavoro svolto da Pierre e sua moglie Marie Curie sulla radioattività).

Questo effetto di piezoelettricità appare quando certi cristalli vengono premuti (nel nostro caso il quarzo), questo fa sì che l’elettricità circoli all’interno di questi cristalli. È vero anche il contrario: se si fa passare l’elettricità attraverso il quarzo, questo vibrerà avanti e indietro. La definizione scientifica di piezoelettricità è la seguente:

La piezoelettricità (chiamata anche effetto piezoelettrico) è la comparsa di un potenziale elettrico (una tensione, in altre parole) sui lati di un cristallo quando lo si sottopone a uno stress meccanico (schiacciandolo).
In pratica, il cristallo diventa una specie di piccola batteria con una carica positiva da un lato e una carica negativa dall’altro; la corrente scorre se colleghiamo i due lati per fare un circuito. Nell’effetto piezoelettrico inverso, un cristallo è sottoposto a uno stress meccanico (deformazione della forma) quando una tensione è applicata ai suoi lati opposti.

inventeur mouvement quartz

B. Marketing e uso di massa

Nel 1927 Waren Marrison e J.W. Horton dei Bell Laboratories presentarono il primo orologio con un movimento al quarzo: l’orologio Crystal.

crystal clock bell laboratories

Delle dimensioni di un armadio, questo primo orologio al quarzo funzionava utilizzando l’oscillazione del quarzo causata dalla piezoelettricità, questa oscillazione elettrica crea un segnale molto preciso che mantiene la stessa frequenza. Questo permette di contare i secondi e quindi di creare orologi estremamente precisi.

Il primo orologio ad utilizzare questo meccanismo al quarzo è stato costruito nel 1927 da Seiko nel dicembre 1969. Per la sua semplicità di creazione, la sua precisione e il suo costo inferiore, il movimento al quarzo è diventato rapidamente l’elemento più utilizzato in orologi e orologi. Infatti, quasi tutti i nostri orologi da parete funzionano con un movimento al quarzo. Questo primo orologio era estremamente costoso quando uscì, avere un orologio così preciso era un segno di grande ricchezza a quel tempo.

C. Altri oggetti che usano il quarzo

Al giorno d’oggi, ci sono innumerevoli oggetti di uso quotidiano che utilizzano il movimento al quarzo. In primo luogo, tutti gli oggetti utilizzati come cronometri: orologi, orologi da polso, anche alcuni orologi a pendolo utilizzano un movimento al quarzo per mantenere l’estetica dell’orologio ottimizzando l’affidabilità della visualizzazione del tempo. Il cronometro utilizza anche un movimento al quarzo. A causa del suo effetto piezoelettrico e del suo basso costo, il quarzo è ampiamente usato per fare oscillatori. Molti altri oggetti sono fatti con questo minerale, e la produzione mondiale di quarzo per scopi elettronici ammonta a due miliardi ogni anno.

3) Movimento al quarzo contro movimento meccanico

Tutti sappiamo che un orologio tiene e mostra il tempo, ma vi siete mai chiesti come lo fa? Probabilmente l’orologio più semplice che si può fare è un orologio parlante. Se contate i secondi ripetendo una frase che richiede esattamente un secondo per essere detta (come “elefante uno”, “elefante due”, “elefante tre”…), vedrete che potete tenere il tempo in modo abbastanza preciso. Provalo. Dì i tuoi elefanti da uno a sessanta e vedi come tieni il tempo per più di un minuto, rispetto al tuo orologio. Non male, eh? Il problema è che la maggior parte di noi ha di meglio da fare tutto il giorno che dire “elefante”. Ecco perché siamo contenti di aver inventato gli orologi.

compter les éléphants pour avoir l'heure

A. Movimento meccanico

I primi orologi utilizzavano movimenti meccanici prima dell’avvento del movimento al quarzo. Nell’industria dell’orologeria dell’epoca, la maggior parte degli orologi usava i pendoli per tenere il tempo. Un pendolo è una lunga asta 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 la stessa quantità di tempo per oscillare avanti e indietro, indipendentemente dal suo peso o dalle sue dimensioni. Se ne rese conto osservando un’enorme lampada che oscillava su una catena dal soffitto della cattedrale di Pisa in Italia, e usando il suo battito per cronometrare il suo movimento avanti e indietro. In un orologio, la funzione del pendolo è quella di regolare la velocità degli ingranaggi (pignoni con denti tagliati nei loro bordi). Gli ingranaggi contano il numero di secondi che passano e li convertono in minuti e ore, visualizzati sulle lancette che scorrono sul quadrante. In altre parole: gli ingranaggi di un orologio contano solo gli elefanti. La cassa aperta di un grande orologio a pendolo che mostra il pendolo che oscilla all’interno. Si può fare un orologio attaccando un peso a un pezzo di corda. Se la corda è lunga circa 25 cm (10 pollici), il pendolo oscillerà avanti e indietro circa una volta al secondo. Le corde più corte oscilleranno più velocemente e quelle più lunghe più lentamente.

A proposito, gli orologi a cucù utilizzano questo meccanismo, per maggiori informazioni si veda il nostro articolo sulle origini e il funzionamento degli orologi a cucù.

pendule de Galilée

B. Limiti di questo movimento

Il problema di un orologio che utilizza meccanismi meccanici come l’orologio a pendolo è che il pendolo continuerà a muoversi e fermarsi. La resistenza dell’aria e l’attrito esauriranno presto la sua energia e la fermeranno. Questo è il motivo per cui i pendoli hanno le molle. Una volta al giorno o giù di lì, si carica una molla all’interno dell’orologio per immagazzinare l’energia potenziale necessaria a mantenere il pendolo per le prossime 24 ore. Quando la molla si srotola, alimenta gli ingranaggi all’interno dell’orologio. Attraverso un meccanismo a dondolo chiamato scappamento, il pendolo costringe gli ingranaggi a girare ad una velocità precisa, ed è così che gli ingranaggi tengono il tempo. Un orologio da tasca è ovviamente troppo piccolo per avere un pendolo all’interno, quindi utilizza un meccanismo diverso. Invece di un pendolo, ha un bilanciere che gira prima in un senso e poi nell’altro, guidato da uno scappamento che è molto più piccolo di quello di un orologio.

C. Vantaggi del movimento al quarzo

Gli orologi con movimento al quarzo risolvono tutti questi problemi. Sono alimentati a batteria e, poiché usano così poca elettricità, la batteria può spesso durare per diversi anni prima di doverla sostituire. Sono anche molto più precisi degli orologi a pendolo. Gli orologi al quarzo funzionano in modo molto diverso dagli orologi ordinari. Hanno ancora degli ingranaggi al loro interno per contare i secondi, i minuti e le ore e far scorrere le lancette sul quadrante dell’orologio. Ma gli ingranaggi sono regolati da un minuscolo cristallo di quarzo invece che da un pendolo oscillante o da un bilanciere mobile. La gravità non entra affatto negli ingranaggi, per cui un orologio al quarzo segna l’ora tanto bene quando si scala l’Everest quanto quando si è in mare.

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