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Orologio a pendolo
OROLOGIO A PENDOLO

L'orologio a pendolo o pendola è un dispositivo per la misura del trascorrere del tempo basato sulla regolarità dell'oscillazione (isocronismo) di un pendolo meccanico. Attualmente, a partire dal XX secolo, questo strumento è stato superato in precisione dall'orologio al quarzo prima e dall'orologio atomico poi, ma continua ad avere un certo impiego per la sua valenza estetica ed artistica. Alcuni modelli sono infatti incassati in pregiati mobili in legno e sono considerati pregevoli opere di meccanica artigianale di precisione. Esistono pezzi dotati di elaborate suonerie, organi musicali e complessi meccanismi scenografici animati. Le dimensioni spaziano da piccoli oggetti da scrivania, alle pendole da salotto, fino ai grandi meccanismi da torre.

STORIA
La regolarità nel moto del pendolo fu studiata da Galileo Galilei nel XVII secolo, ma l'invenzione dell'orologio a pendolo è attribuita a Christiaan Huygens che ne depositò il brevetto nel 1656. La fabbricazione iniziò nel 1657 per opera di artigiani olandesi ed ebbe rapida diffusione.
Nel XVIII secolo si ebbero diversi importanti artigiani che realizzarono orologi di eccellente fattura, di grande valore per i materiali usati e dagli stupefacenti effetti scenografici delle suonerie. Un esempio pregevole è conservato al Museo dell'Ermitage di San Pietroburgo e rappresenta un pavone meccanico in oro che canta allo scoccare delle ore con incredibile realismo.

FUNZIONAMENTO
Il cuore dell'orologio è il pendolo, costituito da una barra di metallo o legno incernierata su un fulcro e con una massa collocata all'estremità libera. Poiché il periodo di oscillazione dipende dalla distanza tra il fulcro ed il baricentro del pendolo, la massa è in genere scorrevole lunga la barra, allo scopo di potere tarare lo strumento. La dilatazione termica agisce alterando la lunghezza del pendolo e variandone quindi il periodo in funzione del variare della temperatura. Per questo motivo i pendoli utilizzati in passato per il computo del tempo utilizzavano sistemi di compensazione della dilatazione basati su leghe metalliche diverse ad effetto controbilanciato. Questa tecnica fu elaborata nel 1721 da George Graham.

Per convertire il moto alternato del pendolo in una rotazione regolare di ingranaggi, necessaria per ruotare le lancette, e contemporaneamente fornire al pendolo energia cinetica per compensare le perdite per attrito, sono stato inventati diversi meccanismi, chiamati scappamenti. Esistono vari tipi di scappamenti, ma in generale sono costituiti da una ruota dotata di speciali denti su sui si inserisce un meccanismo solidale all'asse del pendolo. La ruota è sottoposta ad un momento di torsione per effetto di una molla oppure tramite una corda che grazie ad un peso tende a svolgersi da un rullo. Lo scappamento fa si che quando il pendolo si trovi ad una estremità del suo percorso venga spinto nella direzione opposta, e contemporaneamente la ruota dentata avanzi di uno scatto. Una volta che il pendolo è giunto all'estremo opposto della traiettoria il processo si inverte e la ruota avanza di un altro scatto. La sequenza si ripete indefinitamente fino a quando è fornita energia dalla molla o dalla caduta del peso.

La rotazione regolare della ruota dello scappamento viene successivamente demoltiplicata da una catena di ingranaggi (rotismi) fino ad ottenere la rotazione della lancetta delle ore in esattamente 12 ore (o 24 in alcuni modelli) e quella dei minuti esattamente in un'ora. I primi modelli di orologi avevano la sola lancetta delle ore ed i periodi intermedi erano stimabili dalla posizione di questa tra le tacche di due ore consecutive. Ulteriori ingranaggi possono tenere il conto della data, delle fasi lunari e, nei modelli più sofisticati, anche effettuare calcoli astronomici.

Sono stati studiati sistemi di alimentazione diversi dalla molla o il peso, per eliminare o ridurre la necessità della ricarica. Una curiosa soluzione è l'orologio di Cox, costruito intorno al 1760 e tuttora conservato (non più funzionante) a Londra, che ricavava energia dalle variazioni della pressione atmosferica. In modelli recenti (a pendolo o a bilanciere) la ricarica della molla poteva essere fatta da un motore elettrico, oppure l'energia poteva essere fornita direttamente al pendolo per mezzo di elettromagneti opportunamente sincronizzati con il movimento di questo, ed eliminando la necessità dello scappamento. I primi orologi a pendolo di Huygens avevano un errore di circa 10 secondi al giorno. Successivi miglioramenti, tra cui la compensazione della dilatazione termica, la riduzione degli attriti e la collocazione del pendolo in una camera a vuoto, hanno ridotto l'errore fino a pochi centesimi di secondo al giorno nei modelli odierni più sofisticati.

ALTERNATIVE AL PENDOLO
Un evidente svantaggio dell'orologio a pendolo è l'impossibilità di essere usato in movimento, in quando il pendolo verrebbe perturbato gravemente nella sua oscillazione cessando di funzionare. Poiché la misura precisa del tempo è importante per determinare la longitudine in mare, la necessità di un sistema alternativo era molto sentita. La soluzione, ideata nel 1675 da Huygens, proprio per ovviare a questo limite, è il bilanciere, in grado di funzionare in qualunque posizione ed in movimento. È costituito da un volano di opportuna massa fatto ruotare intorno al suo asse e collegato ad un sistema di scappamento simile a quello del pendolo. Il volano ruota con regolarità alternativamente in senso orario ed antiorario, scambiando energia cinetica con energia potenziale accumulata da una molla a torsione a cui è vincolato. Questo dispositivo, notevolmente migliorato, è tuttora in uso negli orologi da polso interamente meccanici.

Una realizzazione intermedia tra le due tecniche è il pendolo a torsione, in cui alcune sfere sono fatte ruotare sospese ad una molla di torsione. Questa soluzione ha però una valenza prevalentemente estetica, in quanto non è più precisa rispetto al pendolo classico e non ha la praticità del bilanciere.

OROLOGIO A DOPPPIO PENDOLO
Nel secolo XX, l'ingegnere inglese William Hamilton Shortt inventò un orologio basato su due pendoli, in grado di raggiungere una accuratezza di un centesimo di secondo al giorno. In questo sistema un pendolo primario (master), realizzato con una speciale lega a bassa dilatazione termica, oscilla in assenza di influenze esterne e possibilmente all'interno di un contenitore in cui sia stato praticato il vuoto. Questo pendolo entra in contatto meccanico con lo speciale scappamento solamente per una frazione di secondo ogni trenta secondi. Un pendolo secondario (slave) fa avanzare un cricco che ogni trenta secondi attiva un elettromagnete, il quale rilascia una leva che cade per gravità. Questa leva, cadendo sul pendolo primario, gli trasmette un piccolo impulso sufficiente per mantenerlo in oscillazione. La leva è quindi immediatamente lasciata cadere su un contatto elettrico. Questo contatto attiva diverse funzioni:

attiva un secondo elettromagnete che riporta la leva stessa alla posizione iniziale, produce l'impulso per la misura del tempo, invia un impulso al meccanismo di sincronizzazione del pendolo secondario. Poiché il pendolo secondario deve rilasciare la leva al momento giusto, è importante che questo pendolo venga mantenuto sincronizzato entro stretti margini con il pendolo primario.

Per ottenere una maggiore indipendenza da fattori esterni, i pendoli sono montati su supporti antivibrazione e fissati a robusti blocchi di calcestruzzo. Questo tipo di orologio è diventato di uso comune negli osservatori. È stato il primo orologio sufficientemente preciso da rilevare variazioni stagionali nella velocità di rotazione terrestre.

È interessante notare come questo orologio, ancora imbattuto dagli orologi commerciali, inclusi quelli al quarzo, che raramente arrivano al secondo al giorno, è preciso fino a 0.1 ppm, ovvero un decimo di parte per milione. Pochi strumenti di laboratorio possono competere con lui.



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