Orologio meccanico

In un orologio meccanico un peso che scende fa girare un treno di ingranaggi, e uno scappamento lascia avanzare quel treno solo a piccoli passi regolari. I primi furono costruiti in Europa alla fine del Duecento: grandi macchine di ferro nei campanili che battevano le ore su una campana.

Che cos’è

Un orologio meccanico divide il tempo in battiti uguali e li conta con gli ingranaggi. I primi, costruiti dalla fine del Duecento, erano grandi gabbie di ferro battuto nel campanile di una chiesa o nella torre di una città. Li muoveva un pesante peso di pietra e li regolava uno scappamento a verga e foliot: una barra oscillante che lasciava girare le ruote solo a passi piccoli e regolari. Molti non avevano quadrante: battevano le ore su una campana e la gente conosceva l’ora a orecchio.

Nella cattedrale di Salisbury un orologio di questo tipo funziona ancora nella navata. Di solito lo si identifica con un orologio ricordato lì nel 1386, e per questo lo si indica spesso come il più antico orologio funzionante del mondo; la datazione si basa su indizi indiretti, e per il titolo vengono proposti anche altri orologi. Le sue ruote stanno in una gabbia di ferro a quattro montanti tenuta insieme da tenoni a cuneo invece che da bulloni. Un peso muove il treno del tempo, che segna l’ora; un altro muove il treno della suoneria, che fa suonare la campana.

Come funziona

Il peso pende da una fune avvolta su un tamburo di legno. Scendendo lentamente fa girare il tamburo e la ruota grande fissata sullo stesso albero. La ruota grande muove un piccolo pignone sull’albero successivo, che porta un’altra ruota, e così via fino alla ruota di scappamento. A ogni passaggio da ruota a pignone l’albero successivo gira più in fretta.

Lo scappamento a verga visto di profilo, dove i denti di tutto il bordo della ruota a corona si allineano in un’unica colonna: la ruota spinge a turno le due palette, e il foliot con i suoi pesi oscilla in cima alla verga.

Lasciato a sé stesso, il peso farebbe girare tutto il treno e cadrebbe in pochi secondi. Lo scappamento lo impedisce. La ruota di scappamento è una ruota a corona, con denti a dente di sega che sporgono da una faccia. Davanti pende la verga, un’asta verticale con due piccole alette, le palette: una incontra i denti in cima alla ruota, l’altra in fondo, disposte all’incirca ad angolo retto. Un dente scosta la paletta in alto e fa ruotare la verga; così la paletta in basso si porta davanti a un dente dall’altra parte della ruota, che la respinge nel verso opposto. La verga oscilla avanti e indietro, e la ruota avanza di mezzo dente a ogni movimento in un verso, di un dente intero a ogni andata e ritorno.

Il foliot è una barra orizzontale fissata di traverso in cima alla verga, con un piccolo peso appeso vicino a ciascuna estremità. La sua inerzia rallenta ogni battito. Allontanando i pesi il battito si fa più lento e l’orologio ritarda; avvicinandoli, anticipa. Il foliot non ha un periodo proprio, perciò la marcia cambia anche con la forza del peso motore, l’attrito e lo stato dell’olio, e un errore tipico era di circa un quarto d’ora al giorno. Il custode rimetteva l’orologio in ora con una meridiana e ricaricava i pesi ogni giorno.

Come costruirlo

Con attrezzi a mano, compensato e tondini di legno duro si può costruire un modello di scappamento a verga e foliot. Ticchetta e mostra come lo scappamento trattiene un peso che scende; senza quadrante, non segna l’ora. Quanto segue riassume le fasi: per la forma dei denti e l’interasse degli alberi seguite un progetto quotato pubblicato per un modello di scappamento in legno.

Un rocchetto a lanterna: asticciole tonde fra due dischi, facili da fare a mano, ingranano con i denti della ruota più grande.

Costruire il telaio. Due montanti di circa 40 cm uniti da traverse e forati per tre alberi orizzontali uno sopra l’altro, agli interassi del progetto. Usate tondini come alberi e foderate i fori con brevi pezzi di tubetto d’ottone perché girino liberi. Avvitate il telaio a una base pesante o a una mensola a muro perché non possa ribaltarsi.

Fare il treno. Sull’albero in basso vanno un tamburo per la cordicella e la ruota grande; su quello di mezzo un rocchetto a lanterna di tondini e una seconda ruota; su quello in alto un altro rocchetto a lanterna e la ruota a corona. Ogni ruota deve ingranare con il suo rocchetto senza impuntarsi né saltare: tagliate i denti secondo il profilo del progetto e rifiniteli con la lima.

Fare lo scappamento. La ruota a corona richiede un numero dispari di denti, 15 è comune, che sporgano da una faccia: tagliateli sul bordo di un corto anello di compensato sottile o di legno duro e incollate l’anello sulla faccia di un disco. Montate la verga, un tondino ben dritto, in verticale davanti alla ruota, con due palette sottili a circa 90 gradi fra loro, all’altezza della parte alta e di quella bassa della ruota. Con un numero dispari di denti, una paletta incontra una punta mentre l’altra sta davanti a un vano. Fissate di traverso in cima alla verga il foliot, una barra leggera di circa 30 cm con due pesi scorrevoli.

Regolare senza il peso. Fate girare il treno a mano, con un dito sul tamburo, e verificate che le palette lavorino a turno: un dente in alto sfugge, poi un dente in basso si arresta contro l’altra paletta, senza denti saltati né inceppamenti. Piegate o limate le palette solo a peso tolto. Poi avvolgete sul tamburo una cordicella con un carico ammesso ben superiore al peso, legatene il capo al tamburo, appendete il peso indicato dal progetto, spesso 1-2 kg per un piccolo modello in legno. Per regolare il battito, togliete o sostenete il peso, spostate di poco i pesi del foliot, lasciatelo di nuovo pendere e contate i battiti in un minuto; ripetete finché il battito è regolare.

Sicurezza. Se una paletta sfugge, il treno si scatena e il peso cade: togliete o sostenete sempre il peso prima di toccare lo scappamento, e fatelo scendere dentro una guida chiusa, un tubo o una cassetta, che termini a terra. Tenete mani, piedi e animali fuori dalla sua corsa. Bloccate il pezzo in una morsa e tenete le mani dietro la lama quando tagliate i denti; indossate occhiali protettivi quando forate.

Storia ed evoluzione

Orologi ad acqua e meridiane misuravano il tempo da millenni quando comparve l’orologio meccanico. Il passo decisivo, un meccanismo che fa scendere un peso a scatti regolari, fu compiuto da qualche parte in Europa alla fine del Duecento, e grandi orologi pubblici sono documentati in città italiane nella prima metà del Trecento. Allora gli orologi compaiono nei registri di cattedrali e abbazie, ma la stessa parola latina, horologium, indicava anche gli orologi ad acqua, così che non si può dare un nome al primo orologio meccanico. Alla fine del Trecento grandi orologi di ferro funzionavano in molte cattedrali; il movimento di quello di Wells, del 1392, si trova oggi allo Science Museum di Londra, mentre il quadrante è rimasto nella cattedrale.

Il treno della suoneria tira il filo, il martello batte sulla campana e l’ora si sente in tutta la città.

La grande svolta arrivò nel 1656-1657, quando Christiaan Huygens, riprendendo un’idea di Galileo, regolò un orologio con un pendolo. Un pendolo oscilla quasi nello stesso tempo qualunque sia la forza motrice. Il primo orologio a pendolo di Huygens sbagliava di meno di un minuto al giorno, i successivi di meno di dieci secondi. Molti orologi da torre furono trasformati; quelli di Salisbury e di Wells persero il foliot a favore di un pendolo, e a quello di Salisbury fu rimontata una verga con foliot ricostruiti nel restauro del 1956. Verso il 1675 la molla a spirale diede agli orologi da tasca un regolatore con un periodo proprio; il loro errore scese a una decina di minuti al giorno, lontano da un orologio a pendolo ma molto meglio di prima.