Scappamento a gravità - Orologio da torre

[DanR]

La straordinaria precisione dell'orologio del Trinity College

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Trinity College, Cambridge


Questa è una breve storia sul tempo, o almeno come lo scandisce un orologio. Nel 1910 fu installato un nuovo orologio al Trinity College di Cambridge. Il produttore, Smith of Derby, era rinomato per i suoi "orologi da torre" di alta qualità, orologi posti in cima ad una torre, di solito quella di una chiesa, e spesso con solo un piccolo quadrante. La sua funzione principale è quella di suonare le campane per annunciare l'ora, e in alcuni casi la mezz'ora e i quarti.
L'orologio da torre più famoso è quello dell'Elizabeth Tower di Londra, comunemente noto come "Big Ben", anche se questo è in realtà il nome della sua “Grande” campana. È stato progettato da Edmund Beckett Denison, primo barone di Grimthorpe, che ha studiato al Trinity College, e costruito dal famoso orologiaio Edward John Dent. Fu completato nel 1859 e vantava il nuovissimo "scappamento a gravità a tre leve" di Denison.

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Scappamento a gravità in movimento


In un orologio, lo scappamento converte la forza di un peso negli impulsi periodici alternati necessari per mantenere in funzione il pendolo. Il peso fa girare anche le lancette dell'orologio. Lo scappamento “a gravità” di Denison ha il pregio di una notevole precisione perché disaccoppia la forza motrice dei pesi dalla forza periodica che mantiene il moto del pendolo. Il ben consolidato meccanismo "remontoire" che era comune in Europa esegue un disaccoppiamento simile, ma questo nuovo scappamento a gravità inglese è molto più semplice e probabilmente più accurato.
Ancora oggi, i migliori orologi da torre in Inghilterra utilizzano lo scappamento a gravità e l'orologio del Trinity College è uno di questi. Non era il primo orologio del college. La torre dell'orologio fu ricostruita per ospitare il primo orologio nel 1610 e nel 1726 l'allora maestro Bentley insistette per averne uno tutto suo. Tuttavia, non funzionò molto a lungo, e presto il college rimase senza orologio.
Nel 1910, il pronipote di Lord Grimpthorpe finanziò un nuovo orologio che vantava lo scappamento a gravità, 50 anni dopo che il suo prozio lo aveva inventato. A quel punto, Smith of Derby lo aveva perfezionato. Infatti, lo scappamento a gravità dell'orologio Trinity riesce a mantenere pressoché costante l'ampiezza dell'oscillazione del pendolo.

Vento, neve e volatili

Questi non sono problemi da poco. Ad esempio, se la neve si deposita sulle lancette o se c'è forte vento, uno scappamento convenzionale verrà disturbato e l'orologio accelererà o rallenterà. Questo perché la forza che muove il pendolo e la forza che ruota le lancette provengono entrambe dallo stesso peso. Ma le due "leve" di uno scappamento a gravità sono separate dalle lancette e quindi al pendolo viene dato un leggero colpetto su ogni oscillazione che non è disturbato da vento e neve.

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Lo scappamento a gravità dell'orologio. Hugh Hunt


Anche i piccioni possono modificare il tempo. Questo non per colpa dello scappamento, ma per un difetto di progettazione del quadrante che lascia molto spazio ai piccioni per poggiarsi sulle lancette. E se due uccelli si posano sulla lancetta dei minuti all’ultimo quarto d'ora, l'orologio si fermerà. Anche in questo caso, nessuna colpa dello scappamento. La forza del peso non ha il potere di sollevare due uccelli.

Quanto è preciso?

Una delle cose più difficili da fare, è quella di misurare la velocità di un orologio. Hai mai provato a cronometrare la lancetta dei secondi del tuo orologio? La prima cosa di cui hai bisogno è un riferimento temporale più accurato dell'orologio che stai misurando. Quindi devi trovare un modo per confrontare automaticamente i due orologi.
Nel 2009 è stato istituito un sistema di monitoraggio con l'aiuto di Rick Lupton, uno studente di ingegneria del quarto anno all'Università di Cambridge. E’ stato montato un sensore in modo che il pendolo interrompesse un raggio infrarosso ad ogni passaggio. Hanno quindi confrontato il segnale del pendolo con l'uscita di un ricevitore GPS. Ciò è stato ottenuto alimentando i due segnali nel jack audio stereo di un PC ed elaborando i dati con del codice C++ e Python.
Non solo è possibile dedurre la tempistica precisa del pendolo, ma anche i dati di temperatura, pressione e umidità che vengono raccolti ogni 30 secondi. I dati vengono archiviati sul PC e vengono tutti caricati su un server Internet.

Compensazione della temperatura

Anche la temperatura può interferire con il tempo, facendo sì che il pendolo si espanda o si contragga e si allunghi o si accorci. Ma nel 1726, John Harrison escogitò un modo accurato per controllare il cambiamento di lunghezza di un pendolo a causa dell'espansione termica.

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Pendolo con compensazione della temperatura


Ha inventato un pendolo telescopico che utilizza due metalli con diversi coefficienti di dilatazione termica (come acciaio e ottone) in modo che la lunghezza complessiva sia insensibile alle variazioni di temperatura. Da quel momento in poi, gli orologi sono diventati precisi entro pochi secondi alla settimana. La tecnica è stata adattata e perfezionata nel corso dei secoli e il pendolo compensato Smith of Derby è costituito da tubi concentrici di acciaio e zinco.

Disturbo della pressione atmosferica

Il notevole scappamento a gravità e la sorprendente tecnologia bimetallica di compensazione della temperatura consentono una precisione di uno o due secondi alla settimana. Ma una migliore precisione è ostacolata dall'effetto della pressione barometrica sulla densità dell'aria e quindi dell’oscillazione del pendolo.
Per quanto strano possa sembrare, un aumento della pressione dell'aria di soli 20 mbar farà sì che qualsiasi orologio a pendolo con un peso d'acciaio funzioni più lentamente di circa un secondo alla settimana. Ciò significa che l'orologio potrebbe perdere alcuni secondi durante un periodo prolungato di meteo asciutto ad alta pressione e quindi riguadagnare questo tempo perso quando arriva un meteo instabile e bassa pressione.
È noto da tempo che una massa sospesa a un attuatore sensibile alla pressione (noto come pila aneroide) potrebbe essere fissata al pendolo e utilizzata per compensare le variazioni di pressione barometrica. Tale sistema è stato installato nell'orologio Trinity nel 2010 e l'effetto è stato notevole. Dal 24 novembre 2015 ad oggi (questo articolo è stato scritto il 4 aprile 2016) l'orologio ha perso meno di un secondo in un periodo di oltre quattro mesi.

Qui sotto si può vedere il grafico di misurazione della variazione della marcia

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Mentre in questa pagina si trovano tutti i dettagli delle misurazioni: http://trin-hosts.trin.cam.ac.uk/clock/main.php

Fonte:https://theconversation.com/the-remarka ... tick-57195

[lubo]

Infatti per compensare gli effetti della pressione atmosferica gli orologi di precisione a pendolo venivano incapsulati in campane di vetro a pressione costante.
La misura della precisione di oscillazione dei pendoli è un argomento interessante e molto complesso, a dispetto di quanto può sembrare ad una prima osservazione. Anche un semplice cronocomparatore fatto con un raggio laser (che viene interrotto ad ogni passaggio della lente del pendolo, presenta molte complessità. Oltretutto più è accurato il rilevamento del tempo di oscillazione, più deve essere accurato il riferimento. Non a caso oggi vengono usati i segnali di sincronismo del GPS che riesce a garantire un'incertezza temporale inferiore a circa 40 miliardesimi di secondo

[Occam]

Senza contare il tempo, che nella meccanica quantistica è variabile e che nei satelliti scorre in modo diverso rispetto agli apparati terrestri...
Ma tornando ai pendoli meccanici, quando ho revisionato il mio regolatore, mi sono accontentato del segnale radio dei tre orologi atomici in Germania, la cui precisione mi sembra abbastanza soddisfacente.

[Occam]

Ragionando sulla resistenza all'aria, credo che non sia la componente più importante per la precisione dei pendoli di una volta. È vero che la classica forma a lente, quella con il coefficiente x più basso, era la più diffusa, ma se vediamo gli scappamenti a gravità del Trinity College, del Big Ben e di molti altri, a ragione famosi per la loro precisione, hanno tutti il peso del pendolo "a cilindro".

[lubo]

Infatti non è tanto la resistenza dell'aria al movimento, ma quanto la variazione di densità (e quindi di resistenza). In altre parole se la resistenza dell'aria fosse costante, basterebbe tenerne conto e non ci sarebbero problemi. Il fatto che vari rende difficile fare la correzione. Forse maggiore inerzia del pendolo (quindi massa) si traduce in minore sensibilità alla variazione di densità dell'aria e quindi, ecco perché il cilindro è forse migliore della lente.

[VinSer]

Arrivo tardi, ma ...

(a) l'errore dovuto al cambio di pressione dell'aria si nota solo su orologi molto precisi ; inizialmente fu notato per orologi da tasca da Paul Ditisheim osservando i risultati dei suoi cronometri da concorso: lui li regolava a La Chaux-de-Fonds (altitudine 1000 metri) e l'osservatorio per il concorso era a Neuchatel (altitudine 480 metri); l'errore misurato a Neuchatel era più grande dell'errore misurato a La Chaux-de-Fonds ...

(b) l'errore dovuto al cambio di pressione, cioé al cambio di densità dell'aria, e quindi al cambio dell'energia usato dall'attrito dell'aria, è presente solo perché i pendoli della maggior parte degli orologi non sono tautocroni (sto facendo il fico : due eventi sono isocronici cioé avvengono allo stesso (iso in greco) tempo, ma una curva (od un oggetto) è tautocronico).

La circonferenza non è una curva tautocronica, il cicloide si. Fortunatamente per piccole oscillazioni (4 gradi o meno), le due curve sono praticamente identiche ... a meno che non si stia parlando di un pendolo di precisione

Huyghens, l'inventore dell'orologio a pendolo, aveva inventato anche un sistema per far seguire al pendolo una curva cicloidale, ma gli orologiai inglesi preferirono andare per le piccole oscillazioni ... e quet'ultima soluzione è diventata la norma.

(c) un peso con la forma a lente si muove piú rapidamente di un cilindro attraverso l'aria, ma se non è piazzata perfettamente causa forze perpendicolari al senso del moto principale. Il cilindro essendo perfettamente simmetrico, no. Ed inoltre, che vantaggio porta un pendolo più veloce? Però la lente fa più scena


Ciao

[Occam]

Il problema dei pendoli, a muro o in cassa, è che possono interferire con i pesi, con le casse o i muri. La forma lenticolare riduce lo spessore rispetto a una forma cilindrica.

[VinSer]

Il problema dei pendoli, a muro o in cassa, è che possono interferire con i pesi, con le casse o i muri. La forma lenticolare riduce lo spessore rispetto a una forma cilindrica.

Giusto, grazie, a questo non avevo pensato.

Ciao

[DanR]

Grazie a tutti per gli ulteriori interessanti contributi

[lubo]

Visto che c'è chi vuole alzare l'asticella della conversazione (e fa benissimo), questo è un articolo che tratta il pendolo cicloidale di Huygens, se a qualcuno può interessare approfondire, o realizzarne un modello sperimentale

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Fonte:
Author(s): Jeff Brooks and Satha Push
Source: The American Mathematical Monthly , May, 2002, Vol. 109, No. 5 (May, 2002), pp. 463-465
Published by: Taylor & Francis, Ltd. on behalf of the Mathematical Association of America

[Occam]

Gli interventi sul pendolo di Huygens mi hanno suscitato una domanda: se questo sistema è più preciso e risolve il problema dell'ampiezza dell'oscillazione, perché non è stato adottato su larga scala nei secoli successivi? Gli orologi del 18° e 19° sec hanno quasi tutti le aste dei pendoli rigide e i conoidi per compensare la variabilità della forza fornita dalla molla.
Ho trovato curioso il sistema dei fratelli Campani (il quale aveva soltanto un'esigenza di silenziosità) che ricorda vagamente il "cicloidale" e che nasce 10-15 anni dopo quello di Huygens.
Forse siamo finiti OT ...

[lubo]

Davvero interessante che lo "scappamento silenzioso" dei F.lli Campani prevedesse lo snodo. Una soluzione intermedia, probabilmente necessaria per cercare di mitigare quello che tutto sembra ma non un pendolo
In quel sistema la forza non viene applicata in maniera impulsiva, trasferendo solo l'energia indispensabile al mantenimento del moto del pendolo, ma invece il pendolo viene letteralmente azionato dalla molla motrice. Quindi niente oscillazione "libera", che è il principio su cui è definito l'isocronismo (ops...tautocronismo ) del pendolo.

[VinSer]

Gli interventi sul pendolo di Huygens mi hanno suscitato una domanda: se questo sistema è più preciso e risolve il problema dell'ampiezza dell'oscillazione, perché non è stato adottato su larga scala nei secoli successivi? Gli orologi del 18° e 19° sec hanno quasi tutti le aste dei pendoli rigide e i conoidi per compensare la variabilità della forza fornita dalla molla.
Ho trovato curioso il sistema dei fratelli Campani (il quale aveva soltanto un'esigenza di silenziosità) che ricorda vagamente il "cicloidale" e che nasce 10-15 anni dopo quello di Huygens.
Forse siamo finiti OT ...

Secondo me il motivo è nella grandezza degli errori registrati.

Mi spiego: Huyghens era essenzialmente uno scienziato, non un orologiaio. Quindi i suoi studi, basati sulle osservazioni di Galileo, erano di ottenere un pendolo tautocrono e poi di usarlo per misurare il tempo.

Huyghens studia il pendolo per se, scopre/inventa il pendolo tautocrono e poi lo monta su uno scappamento già esistente, cioé su uno scappamento a verga, notoriamente lo scappamento più preciso esistente

Galileo al contrario inventa anche uno scappamento nuovo (secondo il Toma, uno scappamento a detente) su cui monta un pendolo rigido, ma l'unico esempio dell'orologio di Galileo è tenuto segreto dal granduca di Toscana, mentre Huyghens chiede due o tre brevetti (Paesi Bassi, Francia e se non mi sbaglio Inghilterra).

Tornando all'orologio di Huyghens, gli errori dovuti allo scappamento a rinculo sono tali che nella mia opinione l'errore introdotto dall'uso di un pendolo rigido con piccole oscillazioni è trascurabile. Ed infatti Huyghens commenta che l'orologio di sua invenzione "misurerà bene il tempo, a meno che non lo misura del tutto"

Secondo Olivier Lasser (Les échappements en horlogerie mécanique), il primo orologiaio ad usare il pendolo dopo Huyghens è Joseph Knibb che ha il compito di trasformare gli orologi con foliot di Oxford in orologi a pendolo. Knibb abbandona il sistema di Huyghens ed adotta il pendolo rigido a piccole oscillazioni (ed un nuovo scappamento a rinculo).

Il che fa senso, in quando il pendolo rigido è molto più semplice dal punto costruttivo, e dato l'errore dovuto al rinculo, la differenza non è visibile.

Infatti l'evoluzione degli scappamenti è stata, inter alia, una ricerca continua per trovare uno scappamento che riducesse l'errore trasmesso al pendolo; lo scappamento a gravità del big ben è un esempio di questa ricerca: la forza è trasmessa al pendolo non dalla ruota dello scappamento ma dai due bracci con pesi; in questa maniera la forza trasmessa è (teoricamente) costante (gli scappamenti a gravità sono scappamenti a forza costante) ... e così siamo ritornati al post originale

Ciao

P.S.: prima o poi scriverò una recensione del libro di Lasser

[lubo]

Aggiungo anche, come spunto di riflessione, che la realizzazione, nel XVII secolo, di un'asta flessibile, resistente al tempo e allo snervamento, magari compensata termicamente...era quasi fantascienza. Invece un'asta rigida era molto più semplice da produrre e affidabile nel tempo. E come spesso succede, quando si progetta, si sceglie la via dell'affidabilità e della semplicità realizzativa a parità (o quasi) di prestazioni.
Sono in attesa della recensione del libro, che non possiedo, di Lasser. Così deciderò se comprarlo quando avrò messo da parte abbastanza soldini