Tecnologia. Perché il quarzo oscilla?

Negli ultimi 40 anni gli orologi a quarzo hanno fatto la parte del leone nel comparto della misurazione del Tempo. Non si può pensare a strumenti diversi da essi quando si vuole parlare di alta precisione.

In realtà, a parte una piccola rappresentanza di super-tecnologici appassionati, molti non possono apprezzare i motivi di questo grande successo. Esso è dovuto alle prestazioni peculiari di questo cristallo che si trova in abbondanza in natura. Vediamo insieme quindi perché è stato scelto proprio il quarzo e come si rende partecipe nella storia dell’Orologeria e nell’evoluzione dei sistemi della misurazione del Tempo.

Il quarzo è un cristallo che reagisce a stimoli piezo-elettrici. Cosa vuol dire? Significa che se ad esso applichiamo una tensione elettrica, ovvero gli “diamo corrente” inizia ad oscillare.

Gli scienziati si sono accorti nel corso del secolo scorso che le oscillazioni, ovvero la loro frequenza, risultavano costanti e molto stabili. In altre parole se ad una barretta di quarzo di cui possiamo scegliere e calcolare le dimensioni più opportune, applichiamo una batteria, possiamo ottenere contrazioni a scadenza fissa così precise da … poterci regolare l’orologio.

Da lì a calcolare le dimensioni che potessero entrare in un orologio da polso, il passo è stato breve. Possiamo vedere un quarzo inserito dentro il tipico “contenitore a cilindro” e contraddistinto dalla lettera C nell’immagine di copertina. Nacque così il primo orologio a quarzo, nel quale con una batteria in grado di fornire una tensione di v. 1,55 si faceva oscillare un cristallo per 32.768 volte ogni secondo.

L’organo costituito dal quarzo e il circuito della sua alimentazione è chiamato oscillatore o “base dei tempi”. Viene infatti creata una base-campione che è uguale a 2 elevato alla 16a potenza, appunto 32.768.

Questa frequenza è cosi (passatemi il termine) veloce, che simula abbastanza credibilmente lo scorrere del tempo. Gli errori che possono intervenire ad un ritmo così elevato spostano in modo insignificante un’eventuale deriva, dandoci un’accuratezza pressoché perfetta.

Questi impulsi ad alta frequenza vengono poi prelevati da un altro circuito dell’orologio e introdotti nel divisore (contraddistinto dalla lettera B) , il quale li riduce ad un impulso ogni secondo: il tipico scoccare della lancetta dei nostri orologi a quarzo.

Una volta ottenuto questo risultato si tratta di trasmettere per induzione (bobina contraddistinta dalla lettera D) questa cadenza al motorino chiamato “pas à pas” (passo a passo) (lettera E sull’immagine) che determinerà attraverso il ruotismo (F, G, H) lo spostamento delle lancette (I, L, M).

A questa spiegazione va aggiunta l’interazione che l’ambiente circostante introduce sulla fisica dei circuiti. È importante tener conto del fatto che l’equilibrio in cui avvengono i fenomeni descritti è legato a condizioni di temperatura di 25°C. Qualsiasi altra variazione di temperatura tende a far rallentare la frequenza oscillatoria del quarzo e di conseguenza a far ritardare l’orologio.

orologio a quarzo

Quarzo oscillatore

È stata quindi calcolata statisticamente qual’è l’incidenza di tale interazione dovuta alla temperatura. Nel nostro paese, un buon tecnico orologiaio è al corrente del fatto che la regolazione deve essere fatta ad uno scarto di + 0.025 secondi al giorno (venticinque millesimi di secondo al giorno).

Esistono però altri sistemi di controllo affidati ad un secondo quarzo, ma non sono quasi mai applicati ai nostri giorni.

Sono allo studio da parte di Citizen alcune soluzioni futuristiche. Una tra queste è già stata realizzata e si riferisce all’incremento del numero dei rebbi nella forma tipica del quarzo che solitamente viene modellato a forma di diapason. Ma questa tecnologia sarà oggetto di un prossimo approfondimento.


4 Commenti

  1. Luca Bresciani

    Articolo molto interessante.
    Vorrei solo dire che la frequenza di vibrazione dei quarzi standard è 32768=2^15
    e non 2 elevato alla 16a.

    Buona serata a tutti.

  2. È vero, grazie Luca.
    Si è trattato di un errore di battitura.
    Cordiali saluti.

  3. Luca Bresciani

    Aspettiamo con curiosità l’approfondimento sulla tecnologia UHF dei tre rebbi…

    Saluti a tutti.

  4. Ciao, molto interessante come articolo. Ma cosa sarebbe la porta di trasduzione ? Grazie

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