I principi costitutivi del Tourbillon

Anche se il tourbillon è diventato uno dei vertici dell’orologeria, ed è ampiamente discusso dai collezionisti in tutto il mondo, quante persone capiscono davvero come funziona? Molte definizioni dicono che il tourbillon è una costruzione destinata a compensare gli effetti della gravità sulla marcia di un orologio, ma questa spiegazione si spinge raramente oltre. Quali sono questi effetti sulla gravitazione? Qual è il loro impatto sul funzionamento di un orologio? Infine, come reagisce il tourbillon a questi effetti?

Per comprendere i problemi che pone la gravitazione, e il modo in cui li affronta il meccanismo del tourbillon, tracciamo innanzi tutto una breve panoramica dei principi fondamentali. Gli orologi da tasca, e successivamente gli orologi da polso, sono nati grazie a un’innovazione decisiva: la spirale, inventata nel 1675 dal matematico, fisico e astronomo olandese Christiaan Huygens.

Questa realizzazione, che si basava sugli studi compiuti da Galileo Galilei, derivava dalle sue ricerche sugli orologi a pendolo. Lo studio della fisica dei pendoli è sfociato nella molla-spirale, che l’inventore utilizzò successivamente per progettare un orologio da tasca. Secondo la sua analisi, i pendoli e le molle-spirali andavano considerati degli oscillatori. Egli concentrò in particolare le sue ricerche sulle proprietà anisocrone, cioè su come il periodo dell’oscillazione – in altre parole: la sua cadenza – varia secondo l’ampiezza dell’oscillazione.

I suoi studi lo hanno portato a sviluppare una teoria riguardante le proprietà delle forze di richiamo dei due tipi di oscillatore: i pendoli e le molle-spirali. Quando un pendolo è spostato dal centro (la sua posizione più bassa), l’attrazione terrestre tende a farlo tornare al centro. La gravità esercita quindi una forza di richiamo che tende a riportare il pendolo al centro.

Se l’angolo di spostamento (l’angolo definito dalla posizione rispetto al centro, che è la più bassa) è grande, la forza di richiamo sarà maggiore rispetto agli angoli piccoli. Immaginiamo di trovarci di fronte a un angolo di 90 gradi. In questa posizione tutta la forza di gravità tira indietro il pendolo lungo il suo arco. Se invece siamo di fronte a un angolo molto piccolo, solo una piccola percentuale della forza gravitazionale agisce per riportare il pendolo nella sua posizione più bassa.

In altre parole, la forza di richiamo del pendolo non è lineare e varia col variare dell’angolo. Perciò la velocità del moto di andata e ritorno è influenzata dall’angolo di oscillazione. Con grandi angoli di oscillazione la velocità è più lenta che con piccoli angoli di oscillazione.

Nel caso di un oscillatore ideale, la velocità non varierebbe con il variare dell’angolo. Questo oscillatore ideale è detto «isocrono». Poiché la velocità delle oscillazioni del pendolo varia con l’angolo, non linearmente, il pendolo non è un oscillatore isocrono. Si avvicina soltanto all’ideale di un oscillatore isocrono in cui la velocità non verrebbe modificata quando si tratta di piccoli angoli di oscillazione.

Huygens riteneva che un bilanciere dotato di una molla-spirale fosse un oscillatore più vicino all’ideale. Con una molla-spirale ideale, la forza di richiamo dovrebbe essere proporzionale all’angolo. In altre parole, quando il bilanciere viene ruotato per un certo numero di gradi, la coppia di una molla-spirale ideale dovrebbe, in teoria, essere proporzionale al numero di gradi di rotazione. Maggiore è l’angolo di rotazione, maggiore è la forza di richiamo.

In sintesi, una combinazione ideale del bilanciere e della sua spirale potrebbe teoricamente essere un oscillatore perfettamente isocrono in cui la frequenza non cambierebbe con l’angolo di rotazione (che gli orologiai chiamano «ampiezza»). Come vedremo in seguito, l’oscillatore isocrono di Huygens teoricamente perfetto presenta tuttavia alcune imperfezioni che si manifestano nella pratica.

In una moderna costruzione standard il bilanciere è fissato a un asse che poggia generalmente su due rubini, uno per ciascuna estremità, con fori destinati ad accoglierlo.

I due rubini sono chiamati «controperni». Questa struttura consente al bilanciere di oscillare liberamente con un attrito minimo.

Va inoltre notato che gli spostamenti del baricentro possono derivare anche da imperfezioni nell’equilibratura dello stesso bilanciere. Gli effetti sono gli stessi provocati dallo spostamento del centro di gravità della spirale.

Usura/attrito. L’asse del bilanciere è sostenuto alle due estremità da controperni di rubino. Sebbene riducano notevolmente l’attrito rispetto alle strutture che li hanno preceduti, non sono supporti capaci di eliminare l’attrito e, soprattutto quando l’orologio è in posizione verticale, diversi fattori possono causare una variazione nell’attrito. Si tratta di lievi deformazioni dell’asse stesso o dei perni, e di un’usura irregolare di entrambi. Nelle posizioni in cui l’attrito è minore, l’ampiezza è maggiore rispetto a quelle in cui l’attrito è maggiore.

Lubrificazione. Con l’andar del tempo, la distribuzione dell’olio nei controperni può diventare irregolare. Come nel caso dell’usura/attrito, questa irregolarità può provocare un maggiore attrito in alcune posizioni verticali e un minore attrito in altre posizioni, con effetti corrispondenti sull’ampiezza e sulla cadenza.

Tutti questi piccoli effetti della gravitazione sull’ampiezza e sulla cadenza hanno due elementi in comune, che si verificano quando l’orologio e il suo bilanciere sono in posizione verticale e variano a seconda dell’orientamento dell’orologio.

Perciò, considerando fra gli altri questo fattore, gli orologiai sono abituati a esaminare l’ampiezza e la cadenza in quattro posizioni verticali: corona in alto, corona in basso, corona a sinistra, corona a destra.

Il principio costitutivo del tourbillon consiste nel far ruotare di 360 gradi i componenti che regolano la marcia del movimento – il bilanciere, la spirale e lo scappamento – in modo da annullare i piccoli errori.

Con la rotazione, i componenti passano attraverso posizioni in cui la cadenza è più rapida (minore ampiezza) o più lenta (maggiore ampiezza).

Oggi quasi tutti i tourbillon, e tutti i modelli delle collezioni Breguet, ruotano una volta al minuto. Ciò consente, tra le altre cose, di fissare una lancetta dei secondi alla gabbia e quindi di visualizzare una piccola lancetta dei secondi.

Tuttavia, in teoria il tourbillon non impone una rotazione al minuto. La cancellazione degli errori di marcia può essere ottenuta con altre frequenze. Del resto il primo tourbillon di A.-L. Breguet ruotava alla velocità di un giro ogni quattro minuti.

Per qualsiasi appassionato di orologeria è affascinante osservare un tourbillon che ruota in un orologio collocato su una macchina Witschi che ne misura la velocità in tempo reale. Lo schermo della macchina mostra un’onda sinusoidale perfetta, rappresentativa della gabbia che ruota passando attraverso posizioni di accelerazione e decelerazione.

In poco più di due decenni dalla sua invenzione, solo 35 esemplari dotati di tourbillon sono usciti dal laboratorio parigino di Abraham-Louis Breguet in Quai de l’Horloge.

È certo che, anche nei suoi sogni più arditi, l’uomo non avrebbe mai potuto immaginare l’evoluzione della sua invenzione. Nella sua attuale collezione la Maison Breguet propone contemporaneamente tanti modelli diversi quanti sono gli orologi con tourbillon costruiti dal suo fondatore.

Ma soprattutto, la Maison di oggi non ha permesso che questa invenzione giacesse inerte come un pezzo da museo. Al contrario: i progettisti dei movimenti Breguet hanno concentrato i loro sforzi creativi sui fondamenti stessi del tourbillon, e ne hanno portato avanti il concetto.

Il tourbillon extrapiatto presente nei modelli Classique Tourbillon Extra-Plat, Marine Tourbillon Équation du Temps e Classique Tourbillon Extra-Plat Squelette ne sono la prova.

Allo scopo di ridurre lo spessore del movimento, la costruzione degli extrapiatti modifica la maniera in cui l’energia viene fornita alla gabbia, e così pure il processo con cui il pignone dello scappamento ingrana con la ruota fissa.

Mentre nella disposizione standard la gabbia è collegata all’ingranaggio dell’orologio mediante un pignone sottostante, nella struttura extrapiatta l’energia viene erogata dall’esterno della gabbia. Questo elimina lo spessore extra del pignone sottostante.

Sempre per ridurre lo spessore, il pignone dello scappamento, innestato su una ruota fissa sotto la gabbia, viene sostituito da una ruota dentata fissa esterna.

Questi due miglioramenti, che apportano modernità, lasciano inalterati i principi fondamentali della funzione e del modo di funzionare del tourbillon.