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LA SPIRALE

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Figura 1

Esploso dell’organo regolatore

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Figura 2

Disegno di una spirale piana

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1. Descrizione generale

La spirale è una lamina metallica o in silicio, o addirittura in nanotubi di carbonio, di sezione rettangolare. È avvolta su se stessa a forma di spirale e conta generalmente tra 12 e 15 giri (Figura 2). Associata al bilanciere, forma l’organo regolatore degli orologi meccanici.

2. Ruolo della spirale

La spirale ha la stessa funzione sul bilanciere di un orologio, che la gravità sul pendolo di un orologio. Il loro ruolo è di riportare costantemente l’oscillatore (bilanciere o pendolo) al punto mediano di ciascuna delle sue alternanze: il punto morto (così chiamato, perché è la posizione occupata dall’oscillatore quando non riceve più energia e si ferma). L’estremità centrale della spirale si fissa all’asse del bilanciere tramite una virola (parte mobile). L’estremità periferica della spirale si fissa al ponticello del bilanciere tramite un piton (paletta della spirale) (punto fisso).

Quando l’ancora trasmette il suo impulso al bilanciere, questo inizia la sua alternanza libera. La spirale si sviluppa in contrazione, frena il bilanciere fino a fermarlo e lo richiama al punto morto. Il bilanciere riceve quindi un impulso che avvia un’alternanza opposta. La spirale si sviluppa allora in estensione e riporta anch’essa il bilanciere al punto morto.

È alla spirale che spetta la responsabilità della precisione. Che l’energia degli impulsi trasmessi al bilanciere sia massima o minima e qualunque sia l’angolo percorso dal bilanciere (ampiezza), ogni alternanza deve avere esattamente la stessa durata (periodo). È l’isocronismo. La lunghezza attiva della spirale determina la precisione della regolazione dell’orologio. Se la spirale è troppo corta, l’orologio va avanti, se è troppo lunga, l’orologio ritarda.

3. Costruzioni e materiali

Gli orologi essendo dotati di una racchetta permettono di modificare la lunghezza attiva della spirale, determinata in questo caso dalla posizione dei due perni della racchetta. Poiché la spirale non si sviluppa in modo perfettamente concentrico rispetto all’asse del bilanciere, crea, nelle posizioni verticali, difetti di equilibrio dannosi. Sulla base di questa constatazione, alcuni orologiai ebbero l’idea di modificare la spira esterna della spirale. Sollevandola, facendola tornare al di sopra del piano orizzontale della spirale. Fissandola in questa posizione al ponticello del bilanciere, si migliora notevolmente la concentricità della spirale quando lavora (curva terminale Breguet, curva terminale Philips). Le spirali cilindriche (elicoidali), sferiche a doppia curva terminale permettono uno sviluppo quasi concentrico della spirale. La loro fabbricazione complessa e l’ingombro che richiedono limitano le loro applicazioni negli orologi da polso a pochi orologi d’eccezione (Figura 3).

Figura 3

Modello di scappamento a riposo (detente) con spirale cilindrica

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Tradizionalmente le spirali sono fabbricate con una lega chiamata Elinvar. Questa lega, inventata nel 1920 da Charles-Édouard Guillaume, presenta il vantaggio di un eccellente modulo di elasticità, di un basso coefficiente di dilatazione termica e di una relativa resistenza all’influenza dei campi magnetici (rispetto agli acciai convenzionali). La fabbricazione di spirali in Elinvar richiede una grande competenza ed esige una precisione molto elevata. Così solo una decina di case ne padroneggiano la fabbricazione (cfr. scheda metodo industriale qui sotto).

Apparse all’inizio degli anni 2000, le spirali in silicio offrono il vantaggio di un modulo di elasticità migliore dell’acciaio e sono totalmente amagnetiche. Il loro costo di produzione è poco elevato e la loro tecnologia di fabbricazione permette profili inediti. Tuttavia, sono molto fragili e qualsiasi correzione della loro forma è impossibile (cfr. scheda metodo hi-tech qui sotto). L’uso di spirali in silicio tende oggi a generalizzarsi.

4. Caratteristiche e calcoli

Figura 4

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5. Storia

Nel 1675, Christian Huygens, che aveva scoperto la teoria del pendolo (isocronismo) venti anni prima, probabilmente aiutato dai lavori preliminari dell’Abate di Hautefeuille in Francia e del Dottor Robert Hooke in Inghilterra, fa fabbricare il primo orologio regolato da un bilanciere-spirale. Gli orologi portatili (orologi da viaggio), da navigazione (cronometri marini) e gli orologi da polso poterono da allora esistere e dare all’orologeria meccanica le fondamenta dei suoi principi tecnici. Principi che non hanno mai smesso di essere migliorati da allora grazie alle conoscenze e alle evoluzioni tecnologiche, ma che restano invariati nei loro fondamenti fino ad oggi.

Gli orologiai adottano il principio di Huygens e si rendono presto conto che l’influenza delle variazioni termiche e dell’equilibrio (sviluppo concentrico della spirale) è significativa. Nel 1766, John Harrison immagina un sistema di compensazione termica. Una lamina bimetallica comanda i movimenti della racchetta (regolatore) al fine di correggere la lunghezza attiva della spirale quando si dilata o si contrae. Orologiai prestigiosi come Ferdinand Berthoud, Pierre Le Roy o A.-L. Breguet affineranno i lavori di Harrison o immagineranno le proprie soluzioni di compensazione termica (bilanciere bimetallico, ecc.). Nel 1782, John Arnold, deposita il brevetto di una spirale cilindrica. Questa si sviluppa concentricamente rispetto all’asse del bilanciere, a differenza della spirale piana di Huygens. Questo tipo di spirale permette di ottenere una cronometria eccezionale, in particolare quando è associata a uno scappamento a riposo (detente). La cronometria, la navigazione e quindi l’esplorazione beneficeranno di questa vera rivoluzione. Lo spirale cilindrico richiede molte più fasi di fabbricazione e competenze rispetto a uno spirale piatto e necessita di un volume che può compromettere significativamente lo spessore di un movimento. Ecco perché il suo utilizzo negli orologi da polso si limita a poche montature d’eccezione.

Bisogna attendere il 1919 perché Charles-Édouard Guillaume, che aveva inventato l’Invar venticinque anni prima, mettesse a punto l’Elinvar (elastico e invariabile). Sarà la lega che rivoluzionerà gli spirali grazie al suo basso coefficiente di dilatazione, a un modulo di elasticità ideale e poco sensibile ai campi magnetici. Grazie ai suoi lavori sull’Invar, varrà a Guillaume il premio Nobel per la fisica nel 1920 ed è tuttora la lega impiegata nella fabbricazione tradizionale degli spirali.

Dal 2000, l’applicazione della tecnologia di produzione DRIE di silicio ha rivoluzionato il mondo delle spirali. Il loro metodo di produzione richiede tecnologie sofisticate e costose, ma il suo processo è semplice da padroneggiare. Permette di produrre qualitativamente in grandi volumi. Infine, il materiale (silicio) presenta un’eccellente elasticità, è amagnetico e resiste in modo notevole all’usura e alla corrosione. Questo metodo di produzione conosce da allora un’espansione in continua crescita.

6. Produzione tradizionale di una spirale (acciaio)

Questo metodo utilizza come materiale, ancora oggi, la lega Elinvar inventata da Ch.-E. Guillaume. Questa lega complessa da produrre è utilizzata essenzialmente dall’orologeria e in quantità irrisoria. Una manciata di produttori la propone a un costo consistente. I produttori di lega (fonderie) forniscono l’Elinvar in filo di circa 0,8-1 mm di diametro. Le prime fasi di fabbricazione di uno spirale consistono nel trafilare questo filo per ridurne il diametro. Il filo viene tirato attraverso filiere successive gradualmente più piccole. Il diametro del filo diminuisce e la sua lunghezza aumenta. Nessun materiale viene quindi eliminato (lavorato) durante queste operazioni. Una volta raggiunto il diametro calcolato del filo, si procede a diverse fasi di laminazione. Il principio è lo stesso della trafilatura, ma questa volta si tira il filo tra dei rulli fino a dargli la sezione rettangolare desiderata. Una volta raggiunte le dimensioni della sezione, si possono tagliare le lamine alla loro lunghezza quasi finale. Si dà poi la forma della molla avvolgendo diverse lamine in tamburi (estrapade) che vengono sottoposti a diversi trattamenti termici estremamente sensibili da realizzare. Le molle si fissano così nella loro forma definitiva e acquisiscono la loro proprietà elastica. La lunghezza della molla viene poi affinata (taglio interno ed esterno), si forma la curva esterna e le si fissa la sua virola all’interno e il suo piton (paletta della spirale) all’esterno. Si misura poi il suo modulo di elasticità con uno strumento di alta precisione sul quale si misura anche l’inerzia dei bilancieri. Questa fase consente un abbinamento bilanciere-Spirale ideale per una cronometria ottimale. Infine la spirale può essere inserita sull’asse del bilanciere e le numerose fasi manuali, di centraggio, messa in piano, equilibratura e regolazione possono essere eseguite. Queste fasi possono essere realizzate solo a mano e richiedono una destrezza eccezionale.

Marchi o subfornitori, solo una decina di case padroneggia questo metodo di produzione. Molti orologiai e marchi sono quindi costretti ad approvvigionarsi presso di esse.

7. Produzione high-tech di una Spirale (Silicio)

Apparso nell’orologeria fin dall’anno 2000, il silicio ha letteralmente rivoluzionato la produzione di numerosi componenti e dello Spirale in particolare. Se la tecnologia di produzione (DRIE) è complesso, i costi di produzione sono contenuti e permettono una ripetibilità duratura e una precisione assoluta. Questo metodo è quello utilizzato per la fabbricazione dei circuiti integrati. Il principio consiste nel tagliare (incidere) una piastra di Silicio di uno spessore dato (generalmente quello del componente finito) tramite processo fotolitografico. Questo metodo permette di realizzare i profili più complessi con una precisione che raggiunge il Micron. A seconda delle dimensioni dei componenti da realizzare, diverse centinaia di pezzi possono essere realizzati simultaneamente su un medesimo Disco (wafer). I profili più complessi possono essere ottenuti senza l’inconveniente dei raggi di un utensile di Fresatura o anche del filo di una macchina a elettroerosione. Poiché questo procedimento non esercita alcuna sollecitazione meccanica, è possibile realizzare componenti molto sottili (molle, ecc.) o traforarli per limitarne il peso. Il Silicio è un Materiale che presenta una Durezza superiore agli acciai, un eccellente modulo di elasticità ed è amagnetico. I progressi di questa tecnologia e il suo successo la rendono sempre più attrattiva in termini di costi di produzione e tendono a generalizzarsi per la fabbricazione di numerosi componenti (in particolare per lo scappamento e l’organo regolatore).