Principi meccanici › Il funzionamento del movimento meccanico

L’ORGANO REGOLATORE (bilanciere-spirale)

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Figura 1: Esploso dell’organo regolatore

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Figura 2: Disegno dell’Organo regolatore assemblato (Bilanciere a Vite, Spirale piana)

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1. Definizione

L’Organo regolatore è il dispositivo oscillante che fissa la cadenza di un Movimento orologiero. L’Organo regolatore degli orologi indossati (da tasca o da polso) è generalmente il tandem bilanciere e spirale che forma un oscillatore armonico la cui regolarità del Periodo determina la precisione dell’orologio. Traduce l’energia accumulata nella molla motrice in una successione di oscillazioni regolari, il che condiziona la regolarità del conteggio del Tempo.

2. Diversi Organi regolatori

Il pendolo : è il più antico degli oscillatori meccanici. Consiste in un’asta a cui è sospesa una massa la cui altezza è generalmente regolabile. È presente nella maggior parte degli orologi e dei pendoli. È all’inizio del 17^° secolo che Galileo osserva che il Periodo di un pendolo è costante, qualunque sia la sua periodo di un pendolo è costante, qualunque sia la sua ampiezza (teoria dell’’isocronismo). Questa teoria sarà perfezionata più tardi da Christiaan Huygens che inventerà poi il bilanciere-spirale. I pendoli permettono di ottenere eccellenti risultati cronometrici. Purtroppo, non possono essere spostati durante il funzionamento e quindi non riguardano l’orologeria indossabile. I pendoli oscillano generalmente a frequenze comprese tra 0,5 Hz e 1 Hz. I movimenti, gli urti e le variazioni di temperatura influenzano la precisione degli orologi regolati da un pendolo.

Il bilanciere-spirale : È l’organo regolatore della maggior parte degli orologi meccanici da polso. Il bilanciere-spirale è stato inventato nel 1675 da Christiaan Huygens. Questa vera rivoluzione permette, sin dalla sua invenzione, di trasportare strumenti di misura del tempo (cronometri di marina, orologi da tasca e poi orologi a bracciale) mentre sono in funzione. È composto da un volano d’inerzia (il bilanciere) e da una sottile molla a forma di spirale (lo spirale). La frequenza dei oscillazioni di un bilanciere-spirale è generalmente compresa tra 2,5 Hz e 5 Hz. È il tipo di organo regolatore che approfondiremo in questo capitolo.

Il diapason : è un organo regolatore destinato agli orologi elettronici (alimentati da una batteria). Si tratta di una lamina d’acciaio tagliata a forma di diapason. Un elettromagnete mantiene le oscillazioni delle lamine del diapason per effetto piezoelettrico. Un tale oscillatore funziona nell’intervallo di frequenze compreso tra 300 Hz e 720 Hz. Le vibrazioni del diapason permettono di azionare dei nottolini incaricati di far ruotare la ruota dei secondi. Di conseguenza, la lancetta dei secondi di un orologio regolato da un diapason effettua da 300 a 720 salti al secondo e sembra avanzare in modo continuo. Questo tipo di oscillatori è stato brevemente utilizzato all’inizio degli anni ’70 prima di essere superato dalla tecnologia al quarzo. Grazie alla loro tecnologia e alla gamma di frequenze udibili del diapason, gli orologi dotati di un tale risonatore emettono un suono acuto continuo caratteristico.

Il quarzo : Il principio del quarzo è lo stesso di quello del diapason. Una corrente elettrica continua fa vibrare un cristallo di quarzo tagliato a forma di diapason. Per effetto piezo-elettrico, il quarzo entra in vibrazione oscillando a una frequenza di 32 kHz (32 kHz). Il quarzo trasforma la corrente continua che riceve in una corrente alternata della stessa frequenza di 32 kHz. Il circuito elettronico del movimento ha il compito di ridurre questa frequenza fino a 1 Hz per alimentare regolarmente il motore passo-passo dell’orologio.

Atomi di cesio, di rubidio, di stronzio : Il principio di tali organi regolatori consiste nel far cambiare stato energetico agli atomi di cesio 133 o di rubidio. Questo cambiamento di stato induce una radiazione elettromagnetica emessa dagli elettroni dell’atomo, la cui frequenza è elevata e costante. Così, la frequenza di oscillazione degli atomi di cesio 133 è di 9 192 631 770 Hz e i più recenti orologi atomici a frequenze ottiche permettono di agitare gli elettroni di stronzio alla frequenza di 429 228 004 229 873,2 Hz. La deriva di precisione per tali orologi è di 1 secondo su 13 miliardi di anni (ovvero l’età dell’universo). Tali orologi servono, oltre che per la misurazione del tempo, per l’osservazione astronomica, per le scienze e per la fisica (ricerca nucleare, guida satellitare, sistemi di navigazione, ecc.).

3. Descrizione e componenti (sistema a bilanciere spirale):

L’organo regolatore degli orologi meccanici è costituito principalmente da un volano d’inerzia chiamato bilanciere e da una molla a forma di spirale d’Archimede chiamata spirale. Il bilanciere è ribadito sul suo asse. Su questo stesso asse è fissata l’estremità interna della spirale per mezzo della virola (Figura 2 & Figura 3).

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L’estremità esterna della spirale è, invece, fissata al ponticello del bilanciere per mezzo del piton (paletta della spirale) (Figura 2 & Figura 4).

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A un angolo α generalmente compreso tra 60° e 70° rispetto al piton (paletta della spirale) (Figura 5, punto 1), la curva terminale della Spirale passa tra le due spine della Racchetta (regolatore) (Figura 5, punto 2). Le spine della Racchetta (regolatore) sono forzate sulla racchetta (regolatore) (Figura 5, punto 3) che ruota con un leggero serraggio, concentricamente all’asse del bilanciere.

Importante:

La presenza o la costruzione dei diversi componenti dell’organo regolatore può variare da un movimento all’altro (per es.: presenza opzionale della racchetta (regolatore) o di un portapiton mobile).

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L’organo regolatore di un orologio meccanico comprende i seguenti componenti:

• Il bilanciere
• La spirale
• L’asse del bilanciere
• La virola
• Il Piton (paletta della spirale)

nota: La maggior parte delle Spirali in Silicio integra la Spirale, la Virola e spesso il Piton (paletta della spirale) in un unico componente monoblocco.

4. Movimenti del Bilanciere-Spirale:

Durante il funzionamento dell’orologio, il Bilanciere-Spirale oscilla concentricamente attorno al suo asse, da entrambi i lati della sua posizione di equilibrio, chiamata anche “Punto morto” (Figura 7). Quando il Bilanciere viene spinto oltre la sua posizione di equilibrio (durante un Impulso; vedere l’Organo di distribuzione), si arma la Spirale. Quando l’Impulso viene dato in un senso, si arma la molla in estensione (Figura 6), e quando l’Impulso viene dato nell’altro senso, si arma la molla in contrazione (Figura 8). In entrambi i casi, si crea una coppia di richiamo (momento elastico) che riporta il Bilanciere nella sua posizione di equilibrio (Punto morto) (Figure da 6 a 8).

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5. Relazione matematica

La relazione matematica tra il Bilanciere e lo Spirale è la seguente (vedi: l’abbinamento del Bilanciere e dello Spirale):