Come sono fatti gli orologi

Il mezzo più antico per determinare il tempo è osservare la posizione del sole nel cielo. Quando il sole è direttamente sopra la testa, l’ora è all’incirca alle 12:00. Uno sviluppo leggermente successivo, e meno soggetto al giudizio di un individuo, è l’uso di una meridiana. Durante le ore diurne, la luce solare cade su un palo verticale posto al centro di un quadrante calibrato, proiettando così un’ombra sul quadrante e fornendo al lettore una lettura dell’ora relativamente precisa.

L’invenzione dell’orologio meccanico nel quattordicesimo secolo fu un grande progresso: forniva un metodo più conciso e coerente per misurare il tempo. L’orologio meccanico comprende una complicata serie di ruote, ingranaggi e leve azionate da un peso in caduta e con un pendolo (o più tardi una molla carica). Questi pezzi insieme hanno spostato la lancetta o le lancette su un quadrante per mostrare l’ora. Subito dopo seguì l’aggiunta di rintocchi o gong all’ora, mezz’ora e quarto d’ora. Nel diciottesimo secolo erano disponibili orologi per la casa più piccoli e, a differenza dei loro predecessori, erano chiusi e sigillati in una custodia.

Più la lavorazione delle parti mobili era precisa, più preciso era l’orologio. Dall’invenzione fino alla metà del XX secolo, gli sviluppi dell’orologeria si sono concentrati sul far funzionare le parti mobili nel modo più accurato possibile. Gli sviluppi nella tecnologia dei metalli e nella miniaturizzazione, la lubrificazione di piccole parti e l’uso di prima zaffiri naturali (e poi zaffiri artificiali) nei punti più sollecitati (il movimento ingioiellato) sono diventati tutti componenti integranti della scienza dell’orologeria. Piccoli orologi da tasca, forse da due a tre pollici (da cinque a sette centimetri) di diametro, erano disponibili entro la fine del diciannovesimo secolo. Gli orologi da polso meccanici erano un oggetto di tutti i giorni negli Stati Uniti negli anni ’60. Eppure, il problema centrale affrontato da orologiai e orologiai è rimasto lo stesso: le parti meccaniche si usurano, diventano imprecise e si rompono.

Negli anni immediatamente successivi alla seconda guerra mondiale, l’interesse per la fisica atomica portò allo sviluppo dell’orologio atomico. I materiali radioattivi emettono particelle (decadute) a una velocità nota e costante. Le parti di un orologio meccanico che si bloccavano per tenere l’ora potevano essere sostituite da un dispositivo che stimolava il movimento dell’orologio ogni volta che una particella veniva emessa dall’elemento radioattivo. Gli orologi atomici, per inciso, sono ancora prodotti e venduti e si trovano costantemente accurati.

Con lo sviluppo del microchip negli anni ’70 e ’80, è stato inventato un nuovo tipo di orologio. Gli orologi da polso che mescolavano la tecnologia dei microchip con i cristalli di quarzo sono diventati lo standard; ci sono pochi orologi da polso non al quarzo prodotti oggi. Il microchip viene utilizzato per inviare continuamente segnali al quadrante dell’orologio. Poiché non è un dispositivo meccanico con parti mobili, non si consuma.

L’uso del quarzo negli orologi fa uso di un tipo di elettricità noto da tempo noto come piezoelettricità. La piezoelettricità è la corrente che scorre da o attraverso un pezzo di quarzo quando il quarzo viene messo sotto pressione elettrica e/o meccanica (piezo è dal verbo greco che significa “premere”). Un orologio al quarzo utilizza l’elettricità di un pezzo di quarzo sottoposto all’elettricità di una batteria per l’invio

Il cuore di un orologio al quarzo è un minuscolo frammento di quarzo. In una forma naturale, il quarzo viene prima caricato in un bollitore gigante o in un’autoclave. Dalla parte superiore dell’autoclave sono appesi semi o minuscole particelle di quarzo con la struttura cristallina desiderata. Un materiale alcalino viene pompato sul fondo dell’autoclave e l’autoclave viene riscaldata ad alta temperatura, sciogliendo il quarzo nel liquido alcalino caldo, facendolo evaporare e depositandolo sui semi. Dopo circa 75 giorni, la camera può essere aperta e i cristalli di quarzo appena cresciuti possono essere rimossi e tagliati nelle proporzioni corrette.
Il cuore di un orologio al quarzo è un minuscolo frammento di quarzo. In una forma naturale, il quarzo viene prima caricato in un bollitore gigante o in un’autoclave. Dalla parte superiore dell’autoclave sono appesi semi o minuscole particelle di quarzo con la struttura cristallina desiderata. Un materiale alcalino viene pompato sul fondo dell’autoclave e l’autoclave viene riscaldata ad alta temperatura, sciogliendo il quarzo nel liquido alcalino caldo, facendolo evaporare e depositandolo sui semi. Dopo circa 75 giorni, la camera può essere aperta e i cristalli di quarzo appena cresciuti possono essere rimossi e tagliati nelle proporzioni corrette.
una serie regolare e numerabile di segnali (oscillazioni) a uno o più microchip. (Gli orologi da parete elettrici, al contrario, utilizzano la regolarità della corrente della parete per tenere traccia del tempo.)

Gli orologi al quarzo più accurati sono quelli in cui l’ora appare in un display digitale controllato elettronicamente, prodotto tramite un diodo a emissione di luce (LED) o un display a cristalli liquidi (LCD). È possibile, ovviamente, che il microprocessore invii i suoi segnali a dispositivi meccanici che fanno muovere le lancette sul quadrante, creando un display analogico. Ma poiché le lancette sono azionate meccanicamente attraverso una parte dell’orologio nota come un treno di ingranaggi, gli orologi analogici di solito non sono accurati come quelli digitali e sono soggetti ad usura. Entrambi i tipi di orologi raggiungono una precisione eccezionale, con gli orologi digitali che generalmente hanno una precisione di tre secondi al mese.

Materie prime

Gli orologi elettronici utilizzano molti dei materiali più moderni disponibili, tra cui plastica e leghe metalliche. Le custodie possono essere di plastica o di metallo; gli orologi con cassa in metallo spesso includono un fondo in acciaio inossidabile. I microchip sono in genere fatti di silicio, mentre i LED sono solitamente fatti di arseniuro di gallio, fosfuro di gallio o fosfuro di arseniuro di gallio. Gli LCD sono costituiti da cristalli liquidi racchiusi tra pezzi di vetro. I contatti elettrici tra le parti sono solitamente realizzati con una piccola quantità di oro (o sono placcati in oro); l’oro è un conduttore elettrico quasi ideale e può essere utilizzato con successo in quantità molto piccole.

La manifattura

Processi

Questa sezione si concentrerà sugli orologi digitali al quarzo con display a LED. Sebbene l’assemblaggio di tali orologi debba essere eseguito con cura e metodica, gli aspetti più essenziali del processo di fabbricazione sono nella fabbricazione dei componenti.

Quarzo

  1. Il cuore di un orologio al quarzo è un minuscolo frammento di quarzo. Il quarzo prodotto sinteticamente viene tagliato dal produttore con una sega diamantata e spedito all’orologiaio per l’uso. La produzione di quarzo “cresciuto” è una fase critica del processo.
    Il quarzo, in forma naturale, viene prima caricato in un bollitore gigante o in un’autoclave (lo stesso dispositivo utilizzato da medici e dentisti per sterilizzare gli strumenti). Dalla parte superiore dell’autoclave sono appesi semi o minuscole particelle di quarzo.
    Nell’assemblaggio dell’orologio, l’intero set di cristalli e microchip è posizionato su un circuito stampato. È inoltre installata una batteria che genera elettricità per il cristallo di quarzo e fornisce l’alimentazione per il display a LED.
    Nell’assemblaggio dell’orologio, l’intero set di cristalli e microchip è posizionato su un circuito stampato. È inoltre installata una batteria che genera elettricità per il cristallo di quarzo e fornisce l’alimentazione per il display a LED.
    con la struttura cristallina desiderata. Un materiale alcalino viene pompato sul fondo dell’autoclave e l’autoclave viene riscaldata a una temperatura di circa 750 gradi Fahrenheit (400 gradi Celsius). Il quarzo naturale si dissolve nel liquido caldo alcalino, evapora e si deposita sui semi. Mentre si deposita, segue lo schema della struttura cristallina dei semi. Dopo circa 75 giorni, la camera può essere aperta e i cristalli di quarzo appena cresciuti possono essere rimossi e tagliati nelle proporzioni corrette. Angoli e spessori diversi nel taglio portano a velocità di oscillazione prevedibili. La velocità di oscillazione desiderata per il quarzo utilizzato negli orologi da polso è di 100.000 megaHertz o 100.000 oscillazioni al secondo.
  2. Per funzionare in modo più efficace, il pezzo di quarzo deve essere sigillato in una camera a vuoto di un tipo o dell’altro. Più comunemente, il quarzo è posto in una sorta di capsula, con fili attaccati a entrambe le estremità in modo che la capsula possa essere saldata o altrimenti collegata a un circuito stampato.

Il microchip

I cavi elettronici generati da una batteria attraverso il quarzo (che producono oscillazioni) andranno a un microchip che funge da “circuito divisore di frequenza”. Anche la produzione di microchip, come il quarzo, viene eseguita dal fornitore del produttore di orologi. Un processo ampio e complesso, la produzione di microchip comporta l’incisione chimica e/o a raggi X di un circuito elettronico microscopico su un minuscolo pezzo di biossido di silicio.

4 La velocità di oscillazione di forse 100.000 vibrazioni/secondo è ridotta a 1 o 60 oa un altro numero più gestibile di oscillazioni. Il nuovo schema di oscillazione viene quindi inviato a un altro microchip che funge da “contro-driver-decodificatore”. Questo chip conterà effettivamente le oscillazioni che riceve. Se ci sono sessanta oscillazioni al secondo, il chip cambierà la lettura su un LED ogni secondo. Dopo 3.600 oscillazioni (60 x 60), il contatore indicherà al LED di modificare la lettura per alcuni minuti. E, dopo 60 x 60 x 60 oscillazioni (216.000), il contatore cambierà la lettura dell’ora.

Assemblaggio

5 L’intero set di cristalli e microchip è posizionato su un circuito stampato. La scheda incorpora uno spazio per contenere la batteria che fornisce elettricità al cristallo di quarzo e fornisce l’alimentazione per il display a LED. In genere, lo spazio per la batteria si trova all’esterno della superficie rivolta verso il retro del case. La batteria può essere sostituita rimuovendo il retro dell’orologio, scuotendo quella vecchia e facendo cadere la nuova batteria.

6 Viene quindi collegato il meccanismo utilizzato per impostare l’orologio. Questo meccanismo prevede due perni che si estendono oltre la cassa dell’orologio. Un pin consente al circuito del contatore di sapere quale lettura ripristinare: secondi, minuti o ore. Il secondo pin viene premuto più volte per portare il display alla lettura desiderata.

7 L’intero circuito stampato, insieme a una batteria, viene quindi chiuso in una custodia e viene fissato un cinturino da polso.

Funzionalità aggiuntive dell’orologio

Poiché i microchip di un orologio al quarzo sono in grado di contenere grandi quantità di informazioni, è possibile, dal punto di vista ingegneristico, aggiungere altre funzioni a un orologio senza troppe difficoltà. Un pulsante aggiuntivo sulla custodia collegato al circuito del contatore può fornire allarmi, informazioni sulla marea e altro. Il microchip può essere programmato altrettanto facilmente per impostare l’orologio avanti o indietro di un importo definito premendo un pulsante, in modo che un proprietario possa determinare l’ora in un altro fuso orario, o forse avere due, tre o più fusi orari visualizzato in successione.

Controllo di qualità

Tutti i componenti degli orologi elettronici sono prodotti secondo un rigoroso sistema di controllo della qualità. I cristalli di quarzo, ad esempio, hanno le loro frequenze testate prima di essere utilizzati in un orologio. I microchip devono essere realizzati in un ambiente “camera bianca” con aria appositamente filtrata, poiché anche le più piccole particelle di polvere possono rendere inutilizzabile un chip. I microchip vengono esaminati attentamente e sono anche testati al banco per la precisione prima dell’uso.

Dopo che un orologio è stato prodotto, viene nuovamente testato prima di essere spedito sul mercato. Oltre alla sua precisione di cronometraggio, è anche sottoposto a un test di caduta in cui deve continuare a funzionare correttamente dopo essere caduto e altrimenti abusato; una prova di temperatura; e un test dell’acqua. Mentre un orologiaio può, con prove e prove adeguate, affermare che un orologio è “resistente all’acqua” secondo determinate specifiche note, è impreciso dire che un orologio è “impermeabile perché senza specifiche specifiche tale designazione non ha significato.

Le grandi aziende di orologi realizzano tutti i propri componenti, assicurando che gli standard di qualità del prodotto siano in vigore fin dalle prime fasi del processo di produzione.

Il futuro

Poiché gli orologi elettronici di oggi sono per progettazione così accurati, la precisione non è l’unico obiettivo a cui mira un produttore di orologi. I futuri cambiamenti nel prodotto trarranno vantaggio da altre tecnologie provenienti da altri campi, come l’aggiunta di una funzione calcolatrice a un orologio, o anche l’aggiunta di un trasmettitore radio in grado di inviare un segnale tracciabile se chi lo indossa si perde o si trova in difficoltà.