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7 Aprile 200918 Giugno 2009

Come funzionano gli orologi al quarzo?

Mentre molti degli orologi meccanici oggi prodotti sono da considerarsi dei veri e propri beni di lusso, specialmente per il loro costo esorbitante, gli orologi al quarzo continuano a riscuotere molto successo per le loro ottime prestazioni a costi poco elevati. Nei moderni orologi, un cristallo di quarzo ha sostituito ingranaggi e bilancieri nel delicato compito di misurare il tempo.

Ma come funzionano gli orologi più diffusi al mondo?
Quando è attraversato da una specifica corrente elettrica, il cristallo di quarzo oscilla con una frequenza immutabile. Partendo da questo presupposto, sono stati creati in laboratorio cristalli di quarzo artificiali in grado di compiere 32.768 oscillazioni al secondo grazie all’energia elettrica fornita da una comune pila a lunga durata.

Le oscillazioni del cristallo producono dunque un segnale di frequenza costante (un numero costante di impulsi), che attraverso la divisione per 2 per 15 volte di 32.768 Hz viene ridotto dai circuiti elettronici dell’orologio a un unico impulso che determina la durata di un secondo (corrispondente alla durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione emessa da un atomo di cesio-133).

A ogni impulso, il chip presente nell’orologio invia un segnale alle lancette, nel caso dei quadranti analogici, o al display a cristalli liquidi, nel caso degli orologi digitali. Inclusi tra uno strato inferiore riflettente e uno superiore di vetro polarizzato, i cristalli liquidi sono suddivisi da alcuni conduttori elettrici in sette segmenti, la cui combinazione consente la visualizzazione di tutte le cifre da 0 a 9.

I cristalli liquidi ridispongono le loro molecole a seconda del loro stato elettrico: dove i conduttori non trasportano alcuna carica, lo strato inferiore può riflettersi completamente all’esterno, fornendo l’immagine del display “vuoto”; quando invece i conduttori sono pervasi da un impulso elettrico, le molecole nei segmenti interessati si riallineano, impedendo alla luce di raggiungere la superficie del display. Questi “buchi di luce” in corrispondenza dei segmenti costituiscono le cifre che leggiamo sul quadrante.

Gli orologi con display digitale segnano sempre l’ora esatta, ma diventano progressivamente meno leggibili al consumarsi della batteria che li alimenta, mentre gli orologi al quarzo con le lancette perdono qualche secondo negli ultimi giorni di vita della pila. I ritardatari sono avvisati…

29 Dicembre 200829 Dicembre 2008

Sincronizzate gli orologi, la Terra è in ritardo di un secondo

terra Si farà attendere un secondo più del solito il nuovo anno. Allo scoccare della mezzanotte del 31 dicembre verrà infatti aggiunto un secondo per coordinare l’ora artificiale scandita dagli orologi atomici con la rotazione terrestre.

Il tempo sembra essere una delle poche convenzioni su cui la comunità internazionale si trova universalmente d’accordo. Non a caso, l’aggiunta di un secondo interessa tutti gli orologi atomici con i quali viene accuratamente misurato lo scorrere del tempo sul nostro Pianeta. Tale aggiustamento, che avviene ogniqualvolta la differenza tra tempo solare e il tempo misurato dagli orologi atomici supera il valore di 0,9 secondi, è reso necessario dal moto di rotazione terrestre che non è costante e dunque accumula spesso un ritardo rispetto al tempo artificiale.

Allo scoccare delle 23:59:60 (ora di Greenwich) del prossimo 31 dicembre, l’Earth Rotation and Reference Systems Service aggiungerà una “pausa” di un secondo prima di far scoccare la mezzanotte, rimettendo così in sincrono i precisi orologi atomici con l’imprecisa Terra. Una pratica non così insolita e messa in atto già una ventina di volte negli ultimi 30 anni.

Il ritardo della rotazione terrestre rispetto agli orologi atomici è dovuto a numerose variabili che possono influenzare la velocità con la quale la Terra ruota intorno al suo asse. La differente densità del nucleo terrestre, il movimento degli oceani, lo scioglimento dei ghiacci e gli effetti dovuti ai campi gravitazionali di Sole e Luna rendono la rotazione particolarmente irregolare, comportando una perdita media di circa 2 millisecondi al giorno. Sul medio periodo, ciò compromette la sincronizzazione degli orologi atomici con la Terra. Da qui la necessità di aggiungere quando necessario un secondo intercalare per riportare le cose in ordine. Leggi tutto “Sincronizzate gli orologi, la Terra è in ritardo di un secondo”

10 Dicembre 200810 Dicembre 2008

Perché la neve è così leggera e soffice?

La pioggia inizia generalmente il proprio viaggio sotto forma di neve. Ma allora perché talvolta le molecole di vapore acqueo lasciano improvvisamente una nube e cadono sotto forma di nebbia, pioggia torrenziale o bianca e soffice neve?

Nei primi decenni del Novecento alcuni fisici e meteorologi, come Tor Bergeron, ipotizzarono che alla base del meccanismo che causa una precipitazione atmosferica vi dovesse essere un catalizzatore. Ovvero una sostanza in grado di innescare un processo senza variare la propria composizione. Anche quando fa molto caldo, le nubi presenti alle grandi altitudini contengono al loro interno migliaia di minuscoli cristalli di ghiaccio (i catalizzatori), che si ingrandiscono man mano che intercettano le molecole di vapore acqueo presenti nell’aria.

Le gocce d’acqua pura contenute in una nube non congelano a 0 °C, grazie alle particolari condizioni di pressione e alle loro dimensioni infinitesimali, possono mantenere lo stato liquido anche a -40 °C. Quando queste gocce d’acqua vengono “investite” da un cristallo di ghiaccio, presente in una nube, congelano all’istante trasformandosi rapidamente in neve. E’ un processo pressoché istantaneo, che porta al congelamento di milioni di gocce d’acqua. Non a caso, ogni fiocco di neve che cade può provenire da centinaia di migliaia di minuscole gocce d’acqua che, sotto forma di cristalli di ghiaccio, si collegano in un reticolo di forma esagonale. Ogni fiocco contiene più aria che acqua congelata, per questo motivo in assenza di vento, può impiegare molto tempo per precipitare al suolo. Leggi tutto “Perché la neve è così leggera e soffice?”