Dall'Horological Journal dell'Agosto 1998

L'orologio di Littlemore

	Richard Snelling descrive uno straordinario orologio a pendolo capace di sfidare la precisione del quarzo. La realizzazione di questo orologio è dovuta al rof. Edward Hall, ex ricercatore dell'università di Oxford.
		Il suo intento era di costruire un orologio a pendolo con la precisione del quarzo, superando tutti i problemi classici connessi con questo tipo di soluzione: resistenza dell'aria, tipo di impulso, tipo di sospensione, ecc... L'orologio appare semplicemente come un pendolo contenuto in un tubo di vetro, incassato in una nicchia a muro, il tutto protetto da uno sportello in perspex dalle dimensioni approssimative di 1,2 m. x 30 cm. Un computer controlla tutte le funzioni. La stanza in cui è tenuto l' orologio ha pianta quadra, con lato di 1,5 m. circa. Una finestra con doppia lastra in perspex la separa da un vicino piccolo laboratorio costruito con assi di legno. La struttura dell'orologio deve essere assolutamente rigida, per questo è fissata ad una colonna in cemento che a sua volta è parte integrante di una base sotterranea sempre in cemento di pianta quadra con lato di 1,2 m. e profondità di 3,5 m. dal peso di circa 12 tonnellate. La base è isolata dal terreno circostante per mezzo di uno strato di 50 mm. di polistirolo espanso, che serve ad eliminare le vibrazioni derivanti da fonti esterne vicine. Queste precauzioni hanno portato ad un considerevole incremento della precisione rispetto a precedenti esperimenti.

Il pendolo è da un secondo ed è costruito in Invar (approfondimento disponibile). L'Invar è una lega con un coefficiente di dilatazione termica bassissimo. Al variare della temperatura le dimensioni dell' asta del pendolo variano di poco, quindi l'influenza sulla marcia è minima. L'asta ha un diametro di 9,6 mm. e la lente di 75 mm. La lente pesa 6,4 Kg. L'assieme è sostenuto da un elaborato sistema di piastre e viti che ne assicurano sia la rigidità che la perfetta verticalità. La sospensione del pendolo è costituita da una coppia di prismi in agata poggianti su una superficie piana, sempre in agata. I prismi sono fissati ad una barra in invar con sezione rettangolare. L'asta del pendolo passa fra i prismi e attraverso un parallelepipedo di invar. Il pendolo può anche muoversi su un piano ortogonale a quello di oscillazione, dato che è fissato alla barra rettangolare di invar attraverso due piccoli cuscinetti a sfere e un albero da 3 mm. fissato a pressione nell'asta. Questo assicura che il pendolo poggi liberamente e in maniera perfettamente verticale sul suo piano di sostegno. Ecco dei disegni del sistema:

Sotto al pendolo è stato montato un sistema di LED e foto diodi. Un otturatore è fissato alla parte inferiore del pendolo. Questo interrompe il flusso di luce fra il led e il diodo tranne quando una fessura della larghezza di 1,6 mm. passa fra i due dispositivi durante l'oscillazione del pendolo. Il segnale fornito dal diodo ha tre utilizzi: serve per contare i secondi, per misurare l'ampiezza di oscillazione e per controllare qualsiasi variazione nell'altezza complessiva del sistema di sospensione. E' interessante notare che l'azione del vento su un grande albero fuori dal laboratorio ha un effetto, pur limitato, proprio su quest'ultima variabile.
La temperatura di esercizio dell'orologio viene mantenuta costante a 32° C con uno scarto massimo di 0,05°. Questa tolleranza può sembrare inutilmente ristretta ma è imposta dall'elevatissima precisione desiderata. Il pendolo oscilla in un tubo di vetro del diametro di 150 mm., lunghezza di 1100 mm., con uno spessore della parete di 8 mm., mantenuto ad una pressione molto ridotta, 0,000001 mb, con una pompa a vuoto.

Gli impulsi del sistema a LED e diodi sono trasmessi ad un contatore digitale, dal quale è ricavato un indicatore tradizionale a 12 ore. L'ora misurata dall'orologio è continuamente raffrontata all'ora campione fornita da un ricevitore GPS, con un grado di precisione di 0,1 millisecondi. Una volta ogni 60 minuti il computer memorizza tutte le informazioni, col compito, fra l'altro, di usarle per regolare l'ampiezza di oscillazione. Il tutto è collegato ad una stampante, per controllare continuamente la marcia e le variazioni di ampiezza dell'oscillazione. Al fine di preservare l'integrità del sistema, è necessario assicurarne il funzionamento ininterrotto per lunghi periodi. Per questo è stato previsto un gruppo di continuità dell'alimentazione, per sopperire ad eventuali mancanze di elettricità.
L'orologio ha così funzionato per oltre 30 mesi, periodo sufficiente a provarne l'affidabilità e la precisione.
La costanza dell'ampiezza dell'oscillazione dipende qui esclusivamente dalla stabilità della sospensione. Sembrerebbe che tutte le altre possibili cause di variazione, di natura elettrica o meccanica, siano troppo piccole per avere effetto oppure siano state adeguatamente compensate.

Prestazioni

La precisione di un orologio non è facile da definire anche se due criteri sembrano dominanti:
a) Differenza oraria dopo un certo periodo;
b) Stabilità della frequenza di funzionamento.
Fino a poco tempo fa, gli orologi Shortt erano considerati fra i migliori orologi a pendolo del mondo. Dal grafico qui riportato risulta chiaro che l'ampiezza dell'errore nella misura del tempo dopo oltre 250 giorni di funzionamento è molto inferiore per l'orologio di Littlemore che per lo Shortt 48 (scelto come esempio perché la sua marcia fu accuratamente osservata nel 1984):

Il grafico confronta la variazione della frequenza di due versioni dell'orologio di Littlemore con quella dei segnatempo analizzati da Philip Woodward nella terza edizione del libro "The Science of Clocks & Watches" di A. L. Rawlings. La stabilità sul lungo periodo dell'orologio del prof. Hall è dieci volte maggiore di quella dello Shortt 48, che è il migliore degli orologi di questo produttore per il quale sono disponibili le analisi della marcia.

La "precisione del quarzo" dipende dal tipo di cristallo impiegato. Il miglior orologio al quarzo è capace di un errore di un millisecondo per mese, mentre gli orologi al quarzo di qualità più bassa possono sbagliare di un millisecondo in pochi giorni (in frazioni, questo equivale a 10 ^-9,4 ed a 10 ^-8,5 rispettivamente). Il miglior orologio al quarzo da polso può sbagliare di circa 0,25 millisecondi per mese (10 ^-7 ). I calcoli delle prestazioni dell'orologio di Littlemore indicano che esso è paragonabile per precisione addirittura agli orologi al quarzo da laboratorio, un risultato sbalorditivo.

Un'analisi del Fattore di Qualità Q dell'orologio di Littlemore è disponibile a questa pagina.

Il prof. Hall attribuisce la straordinaria stabilità della marcia del suo orologio alla rigidità della sospensione ma la pressione di esercizio prossima al vuoto e la costanza dell'ampiezza di oscillazione del pendolo sono sicuramente fattori altrettanto importanti.

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