Le macchine del tempo

1. Le macchine del tempo Lezione del corso di Storia della Tecnologia 07/03/2008 Filippo Nieddu

2. L’Antichità/1 • I più antichi strumenti per misurare il tempo sono stati: • L’orologio ad acqua - Le candele marcatempo • La clessidra - La clessidra a sabbia • I bastoncini combustibili

3. Vitruvio / 1 • L’orolgio ad acqua di Vitruvio era più affidabile di una clessidra, ed aveva applicazioni militari • Esso è uno dei molti citati nell’opera vitruviana • Sarà ripreso da Roberto Valturio nel suo De re militari (1472)

4. Il predominioorientale • Nell’807 d.C. Haroun al Rashid inviò in dono a Carlomagno un orologio che “funziona ad acqua ed indica le ore, suonate da palline di bronzo che cadono su di un bacino di ottone. A mezzogiorno dodici cavalieri escono da dodici finestruole, che poi si chiudono dietro di loro” (Eginardo, Annales, ad annum)

5. L’Occidenteriprende quota • Nell’estate del 1338 una galera partiva da Venezia diretta in Oriente. Tra le molte altre cose, la galera trasportava un orologio che Giovanni Loredan sperava di vendere a Delhi. • L’Europa cominciava a esportare macchinari in Asia. • (in figura un orologio ad acqua in miniatura medievale)

6. L’Occidente e i primi orologi • L’Europa medievale sviluppò sempre più una mentalità che tendeva a vedere la macchina come soluzione dei problemi posti dall’ambiente • L’orologio meccanico nacque quando fu inventato il meccanismo chiamato scappamento a foliot (fine del Duecento). • Orologio meccanico, bocche da fuoco e campane apparvero quasi contemporaneamente (e gli artigiani producevano spesso allo stesso tempo due o tre di questi manufatti) • A Milano, nel 1309, nella chiesa di Sant’Eustorgio fu installato un orologio in ferro. • Gli orologi pubblici erano costosi e richiedevano la presenza costante di una persona che se ne prendesse cura.

7. Lo scappamento • Da http://brunelleschi.imss.fi.it/:“Congegno che controlla e trasforma il moto da continuo in alternato e che impartisce impulsi al pendolo o al bilanciere. I tipi più comuni di scappamento sono: a verga, ad ancora, a caviglie, a cilindro, a scatto, duplex, ecc.”

8. Lo scappamentoa foliot • Una ruota munita di un numero dispari di denti, che la trazione di un peso fa muovere in senso rotatorio, batte con un dente contro una paletta della verga, imprimendo una rotazione al foliot, sino a che il dente scivola oltre la paletta, lasciando libera la ruota corona. Questa batte con un altro dente contro l’altra paletta, ricevendo un impulso nella direzione opposta. Il foliot si muove dunque ritmicamente avanti e indietro.

9. Gli orologibassomedievali • Gli orologi non erano precisi • Alla precisione si preferiva la complessità (come nell’esempio dell’orologio di Strasburgo, installato nel 1350)

10. Gli orologi “privati” • Sino alla metà del Quattrocento gli orologi per uso privato furono molto rari • In un periodo non precisato si cominciarono a usare le “molle” per fornire l’energia all’orologio. • Si introduce la conoide, che dà la possibilità di produrre orologi portatili.

11. La (il) conoide / 1 • Da http://brunelleschi.imss.fi.it/: “Dispositivo in forma di cono, montato su una ruota dentata che ingrana con la prima ruota motrice dell'orologio. Nel solco a spirale, che lo percorre dalla base alla sommità, durante la carica si avvolge il budello (o la catena), che poi la molla richiama facendo ruotare il conoide.”

12. F * R = k F R La (il) conoide / 2 • La diminuzione della forza motrice è controbilanciata dall’aumento del braccio della forza. • Per ottenere una risultante costante il diagramma del raggio deve essere di tipo iperbolico.

13. La miniaturizzazione

14. Gli orologiai • A partire dal Cinquecento, per via della crescente richiesta, si formarono le prime corporazioni di orologiai. • Parigi, Lione, Ginevra, Blois, Tolosa, Londra, L’Aia, Stoccolma sono i primi centri importanti • Di trentatré orologiai operanti a Lione tra il 1550 e il 1650, tredici erano figli di orologiai, otto di orefici, meccanici, insegnanti e sarti. • Istituzionalizzazione del rapporto maestro/lavorante e creazione di una lobby erano conseguenze dell’esistenza delle corporazioni.

15. Le necessitàdella scienza • Astronomi e navigatori avvertono la necessità di orologi di precisione per la determinazione della longitudine e l’esatta posizione degli astri • La realizzazione dell’orologio a pendolo fu il passo fondamentale • L’orologeria fu il primo settore a mettere in pratica le scoperte scientifiche

16. Il pendolo / 1 • Grazie a Galileo (ca. 1610) e Huygens (1657) il pendolo è utilizzato per la misura del tempo • Sino a prima il pendolo non era considerato un corpo rigido • Il periodo del pendolo è pari a T = 2(L/g), ed è indipendente dalla massa del pendolo

17. l1 l l2 l3 Il pendolo / 2 • Fattore influente è la temperatura, che può far allungare il pendolo  pendoli a compensazione. • George Graham nel 1721 fu il primo a sviluppare una tecnica valida per la compensazione della temperatura l= l1 - l2 + l3 = l0 + Δ1 - l0- Δ2 + l0 + Δ3 = l0 + (Δ1 + Δ3) - Δ2 Δ1 = Δ3 = kAT; Δ2 = kBT  se kAT = ½ kBT (Δ1 + Δ3) - Δ2 = 0

18. I saperi degliorologiai / 1 • I gruppi di orologiai nascono in città a forte vocazione mercantile (Ginevra, con le sue numerose e famose fiere, ne è un esempio), e tradizione nella lavorazione dei metalli • Gli orologiai erano istruiti: sapevano leggere (per insegnare), disegnare e fare di conto

19. I saperi degliorologiai / 2 • Con il pendolo dalla misura della DISTANZA, propria della scienza della balistica, si passa alla FREQUENZA. • Il XVIII secolo vede la migliore formalizzazione dei saperi, con la pubblicazione di trattati, tra cui i più famosi sono quelli di Berthoud. • I trattati di Berthoud: • l'Art de conduire et règler les pendules, 1759; • Essai sur l'horlogerie, 1763 e 1786; • Traité des horloges marines, 1787; • Traité des montres à longitude, 1792; • Histoire de la Mesure du temps, 1802.

20. La circolazione del sapere • Gli orologi costruiti in Inghilterra a fine Cinquecento erano riproduzioni di modelli francesi e tedeschi. • L’imitazione è però utile: sono gli inglesi a inventare la suoneria notturna a ripetizione o comandata. • La divisione del lavoro trova nell’orologeria terreno fertile, tanto da essere citata da Adam Smith come esempio già nel 1776. • Nascono corporazioni come quella dei montatori d’orologio (1698) e dei cesellatori (1716). • Gli orologiai svizzeri già a fine Seicento producono pezzi senza “firma”, utilizzabili in altri paesi come base per i prodotti finiti.

21. Il problema della longitudine / 1 • Nel 1714 il governo britannico istituì un premio (sino a 20.000 sterline) per chi inventasse un metodo preciso ed adatto per l'uso a bordo di una nave, per determinare la longitudine locale, il Longitude prize. • La determinazione delle coordinate locali era di importanza fondamentale nella navigazione in mare aperto. La latitudine può essere facilmente determinata, ma per calcolare la longitudine è necessario conoscere l'ora esatta. • Questa può essere determinata con osservazioni astronomiche oppure portando con sé un orologio sincronizzato prima della partenza. Gli orologi esistenti nel '700 erano disturbati o messi fuori uso dalle oscillazioni delle navi, per questo il governo inglese promosse lo studio di sistemi alternativo.

22. Il problema della longitudine / 2 • Sebbene la maggior parte delle proposte si basasse su tecniche astronomiche, l'orologiaio John Harrison risolse il problema costruendo in sette anni un orologio adatto. • La commissione governativa però non ritenne del tutto affidabile un sistema che prescindesse dall'osservazione astronomica ed accordò ad Harrison solo parte del premio in palio. • John Harrison era un autodidatta, inventore dello scappamento detto "a cavalletta" e di un pendolo a compensazione termica. Harrison nel 1728 tentò di realizzare un orologio da navigazione che permettesse l'esatta determinazione in mare della longitudine. • Harrison presentò nel 1735 il suo primo cronometro di precisione, realizzando altri due prototipi nel 1739 e 1749, finché non giunse al modello definitivo nel 1759, sperimentato in due traversate atlantiche. Il cronometro fu anche usato da James Cook per il suo viaggio esplorativo nell'Oceano Pacifico meridionale.

23. Il problema della longitudine / 3 • Si diceva che esistesse una polvere (denominata unguentum armarium) che, cosparsa sulle bende che avevano avvolto un cane ferito, sarebbe stata capace di procurare dolore all'animale, pur a distanza. Sarebbe bastato quindi che ogni nave, prima di lasciare il porto, avesse imbarcato un cane ferito e avesse lasciato a terra dei bendaggi che erano serviti per curarlo. Qualcuno a terra avrebbe cosparso le bende con questa polverina ogni mezzanotte, in modo che il cane sulla nave, col guaito di dolore, avrebbe potuto segnalare che in quel momento era mezzanotte nel porto di partenza, risolvendo il problema della longitudine. • L'esploratore Samuel Champlain (1567-1635), fondatore della città di Montreal, disse “Dio non ha permesso all'uomo l'uso delle longitudini!”. Nel 1726 Jonathan Swift (1667-1745) fa dire a Gulliver, protagonista del suo romanzo, che sono solo tre le cose impossibili per l'uomo: il moto perpetuo, la medicina universale e la soluzione del problema delle longitudini.

24. Gli orologi contemporanei / 1 • Un cristallo di quarzo sottoposto a compressione produce una differenza di potenziale elettrico; se gli si applica una tensione elettrica manifesta deformazione meccanica (piezoelettricità). • Un cristallo tagliato in un certo modo è in grado di vibrare, se percosso, a una frequenza caratteristica (detta di risonanza) dipendente solo dalla sua forma e dimensione. In genere, minori sono le dimensioni, più alta è la frequenza. • Combinando i due fenomeni, si ottiene un risuonatore al quarzo (equivalente ad un circuito RLC), con una frequenza di risonanza stabile nel tempo (variazioni di poche parti per milione all'anno). • La prima applicazione pratica di queste proprietà del quarzo fu realizzata nel 1928 negli Stati Uniti a opera di J. W. Horton e W. A. Morrison. • Solitamente nei comuni orologi da polso la frequenza di oscillazione è fissata a 32768 Hertz.

25. Gli orologi contemporanei / 2 Quarzo di orologio da polso. Il cristallo è nel cilindretto metallico.

26. La precisionedegli orologi • L’evoluzione della tecnologia si riflette sulla precisione degli orologi • Le direzioni privilegiate di sviluppo riguardano: • Le maggiori invenzioni (foliot, pendolo, conoide) • I materiali utilizzati • La collocazione nell’ambiente (controllo della temperatura, della pressione, ecc.)

27. Riferimenti bibliografici essenziali • Carlo M. CIPOLLA, Le macchine del tempo, Bologna : Il Mulino, 1981 • Alexandre KOYRE’, Dal mondo del pressappoco all’universo della precisione, Torino : Einaudi, 1992 • Vittorio MARCHIS, Storia delle macchine, Roma-Bari : Laterza, 1994 • Paolo ROSSI, I filosofi e le macchine, Bologna : Feltrinelli, 2002 (1^ ed. Universale Economica Feltrinelli) • Charles SINGER (ed.), Storia della tecnologia, Torino : Bollati Boringhieri, 1995 • Dava SOBEL, Longitudine, Milano : Rizzoli, 1996