Gli orologi a pendolo dell Osservatorio di Brera (Milano)

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1 Gli orologi a pendolo dell Osservatorio di Brera (Milano) Brera, 23 settembre 2014

2 Come funziona un orologio meccanico 2. Treno di ingranaggi 3. Scappamento 1. Forza motrice 4. Elemento regolatore

3 Il cuore dell orologio è lo scappamento che ha la duplice funzione di: 1. Regolare la velocità di rotazione del treno di ingranaggi in base alle oscillazioni del pendolo (ad ogni oscillazione del pendolo la ruota di scappamento avanza di un dente). 2. Rifornire di energia il movimento oscillatorio del pendolo (mentre il dente dello scappamento si disimpegna dall ancora, le imprime un piccolo impulso che rifornisce di energia l oscillazione del pendolo, controbilanciando le perdite dovute all attrito).

4 Cenni storici: gli orologi meccanici prima del pendolo Nascita dell orologio meccanico: fine 1200 inizi 1300 Elementi fondamentali: elemento oscillante (bilanciere o foliot ) scappamento (a verga) Verge-and-foliot design Gli elementi oscillanti di questi orologi non hanno una frequenza propria di oscillazione (il periodo di oscillazione è dovuto all equilibrio tra forza motrice e inerzia di rotazione) e perciò la precisione raggiungibile è piuttosto scarsa (al meglio 15 minuti al giorno).

5 foliot scappamento a verga

6 Funzionamento di un orologio a verga e foliot

7 Orologio monastico italiano (circa 1450) Elemento oscillante (bilancere) Scappamento a verga Treno di ingranaggi Meccanismo della suoneria Cilindro di avvolgimento della fune motrice

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9 Foliot Scappamento a verga English alarum with foliot balance (1638)

10 English lantern clock William Selwood, circa 1640

11 Galileo e la scoperta del pendolo scoperta dell isocronismo del pendolo (1581?) lettera agli Stati Generali d Olanda (1636) con descrizione del principio di funzionamento lettera all ammiraglio olandese Lorenzo Reael (1637): con descrizione del numeratore del tempo primo progetto di un prototipo (1641) morte di Galileo (1642) Vincenzo Galilei riprende il progetto del padre (1649) e costruisce un prototipo (perduto) lettera di Vincenzo Viviani a Leopoldo de Medici (1659), in cui cita un disegno di Galileo ritrovamento del disegno originale di Galileo (1856)

12 Scappamento di tipo innovativo (non a verga) Disegno di Galileo (1641) Ricostruzione moderna dell orologio di Galileo

13 Christiaan Huygens ( ) brevetto di un orologio a pendolo (1657, con Samuel Coster) Horologium (1658) Horologium oscillatorium (1673): isocronismo del pendolo cicloidale sincronizzazione con passaggi di stelle equazione del tempo

14 Primo modello di Huygens (ricostruzione del pendolo descritto nel trattato Horologium, 1658) Riduttore di ampiezza di oscillazione Scappamento a verga

15 Huygen s endless rope (sustaining power)

16 Secondo modello di Huygens (da Horologium oscillatorium, 1673) Scappamento a verga Guance cicloidali

17 Il pendolo in astronomia

18 Le misure astrometriche richiedono misure di tempo, con una precisione che gli orologi meccanici prima del pendolo non potevano assicurare Tycho Brahe Astronomiae Instauratae Mechanica (1598)

19 Uso del pendolo semplice in osservazioni astronomiche Galileo (?) Hevelius (circa 1650): esperimenti con orologi a foliot lettura di Galileo (1640) e utilizzo del pendolo semplice tentativo di aggiungere un contatore (1650) tentativo di costruire un orologio a pendolo annuncio di Huygens (1658)

20 Osservatorio di Greenwich (1675)

21 John Flamsteed ( ) (primo direttore di Greenwich) Thomas Tompion ( ) (orologiaio)

22 Orologi di Tompion Greenwich Observatory, Octagone Room

23 Orologio di Tompion installato nella Stanza Ottagonale (1676)

24 L equazione del tempo (differenza tra mezzogiorno solare vero e mezzogiorno medio ) Somma dei due effetti Effetto dell obliquità dell eclittica Effetto dell eccentricità dell orbita terrestre

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26 Orologio a due tempi solari (apparente e medio)

27 L evoluzione del pendolo

28 Scappamento ad ancora (circa 1670): Robert Hooke? William Clement? Vantaggi: riduzione della perturbazione sul pendolo riduzione dell ampiezza di oscillazione

29 Scappamento dead beat (George Graham, circa 1715): miglioramento dello scappamento ad ancora (totale assenza di contraccolpo)

30 Grasshopper escapement (John Harrison, 1722)

31 Pin-wheel escapement (Amant, 1740)

32 Gravity escapement (Thomas Mudge, 1763)

33 Gli errori nel pendolo

34 Errore circolare il pendolo è veramente isocrono solo nell approssimazione di moto armonico (piccole ampiezze di oscillazione) ( t) sin( 2 t T0 0 )

35 forza L errore circolare è dovuto al fatto che la forza di richiamo del pendolo non è veramente lineare nello spostamento spostamento

36 Errore circolare: espressione esatta del periodo in funzione dell ampiezza

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38 Pendolo cicloidale (soluzione proposta da Huygens, ma presto abbandonata)

39 Effetto della dilatazione termica T T 1s/day Materiale ( C -1 ) acciaio 1.2 E-5 ottone 1.9 E-5 zinco 2.9 E-5 Invar (FeNi36) 1.2 E-6 Inovco 5.5 E-7 quarzo 5.9 E-7

40 Compensazione a mercurio (George Graham, circa 1725)

41 Charles Frodsham, 1866

42 Charles Frodsham, 1866

43 Sigismund Rentzsch, 1820

44 Compensazione a gridiron (John Harrison, circa 1730)

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50 John Harrison, 1728

51 Robin, 1785

52 Elicott s compensation

53 Compensazione a lamina bimetallica (Thwaites & Reid, inizio XIX sec.)

54 Altri effetti ambientali Pressione atmosferica: effetto diretto (oscillatore smorzato) ampiezza di oscillazione spinta idrostatica Umidità (geometria della cassa)

55 I pendoli di Brera

56 Pendolo Arnold, regalato da Napoleone a Oriani (documentato fino al 1928, oggi scomparso)

57 Pendolo che comandava la sirena sul palazzo della Rinascente (distrutto dal bombardamento del 1943)

58 I pendoli storici ancora esistenti Robin (1784) Megele (1798) Alberti (1819) Grindel 1 ( ) Grindel 2 ( ) Riefler 1 (1922) Riefler 2 Il Robin è a Merate (stanze SWIFT), tutti gli altri sono a Brera

59 I pendoli storici ancora esistenti Alberti Grindel Megele Grindel Riefler

60 Pendolo Grindel 1 (ex Specola Cidnea)

61 Pendolo Grindel 1 (ex Specola Cidnea)

62 Le misure di ritardo sono eseguite con un metodo molto rudimentale, fotografando il quadrante dell orologio insieme al display di un orologio radiocontrollato. La precisione raggiungibile in questo modo è dell ordine di s.

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68 I pendoli della galleria storica

69 Pendolo Grindel 2 (galleria storica)

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72 Pendolo Megele (galleria storica)

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76 Pendolo Alberti (galleria storica) Lo scappamento posto all estremità inferiore del pendolo gli permette di funzionare con ampiezze di oscillazione molto piccole. Tuttavia attualmente il meccanismo è completamente disallineato e non tiene il tempo.

77 Orologio Ampiezza oscillazione (gradi) Durata carica (giorni) Grindel Grindel Megele Alberti

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79 Pendolo Riefler 1 (galleria storica) Pendolo di grande precisione (errore tipico 0.01 s/d) ma attualmente non funzionante.

80 I pendoli Riefler erano dotati di aste in invar per minimizzare gli effetti termici.

81 Scappamento brevettato Riefler

82 Pendolo Riefler 2 (galleria storica) Acquistato per misurare variazioni temporali del campo gravitazionale locale

83 Pendolo Riefler installato nel cupolino dello strumento dei passaggi a Merate

84 Proposta 1 Costruzione di modelli funzionanti Pendolo semplice (isocronismo, T vs lunghezza) Scappamenti di vario tipo Treno di ingranaggi

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