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1. INTRODUZIONE  Orologi e sveglie Strumenti, di forma e dimensioni varie, usati per indicare l'ora e per misurare il trascorrere del tempo. Le parti principali che li costituiscono sono un motore, un sistema di trasmissione e di controllo dell'energia e un indicatore del tempo.

I modi più comuni di classificazione degli orologi si basano sul tipo di motore (a peso, a molla, elettrico), sul sistema di trasmissione dell'energia (meccanico, elettrico o elettronico), sul sistema di regolazione degli impulsi (a pendolo, a bilanciere, a quarzo, atomico) o di indicazione dell'ora (analogico o digitale), ma soprattutto sull'uso prevalente, e talvolta unico: si hanno perciò orologi da torre, da parete, da tavolo e portatili, questi ultimi ulteriormente distinti in orologi da tasca o da polso. Le sveglie sono semplicemente orologi, generalmente da tavolo, dotati di un dispositivo che, a un'ora prefissata, aziona una soneria.

2. CENNI STORICI  
Nel corso della storia, il tempo è stato misurato in base al movimento della Terra rispetto al Sole e alle stelle. Lo strumento più antico, in uso probabilmente in Egitto intorno al 3500 a.C., era una rudimentale meridiana, che sfruttava l'ombra proiettata da uno stilo o da un obelisco in funzione di gnomone. La prima meridiana emisferica fu descritta nel III secolo a.C. dall'astronomo caldeo Berossus. Tra i metodi antichi per misurare il tempo in assenza di luce solare diretta vi sono l'uso cinese di bruciare una corda con nodi equidistanti o una candela a tacche. Di origini antiche sono pure le forme elementari di clessidra, in cui lo scorrere del tempo veniva misurato dal flusso di sabbia o di acqua attraverso un piccolo foro. Verso il 270 a.C., il greco Ctesibio di Alessandria costruì il primo orologio idromeccanico, in cui l'acqua, cadendo in un recipiente, faceva salire un galleggiante che azionava un ingranaggio a cremagliera.

3. L'OROLOGIO MECCANICO  
L'origine storica dell'orologio meccanico è ignota. Sicuramente nel XIV secolo furono costruiti meccanismi relativamente complessi, pesanti e ingombranti, dotati di sonerie elaborate e spesso collocati sulle torri campanarie (non a caso in inglese l'orologio non portatile è detto clock, che originariamente significava "campana"). L'orologio della cattedrale di Rouen, in Francia, costruito nel 1389, aveva una sola lancetta su un quadrante diviso in quarti d'ora, come tutti gli orologi dell'epoca, e una soneria che batteva le ore e i quarti d'ora. Il più completo orologio di quei tempi fu costruito in sedici anni di lavoro, dal 1348 al 1362, dall'italiano Giovanni de' Dondi. Il meccanismo, dotato di un sistema di regolazione della velocità di rotazione delle ruote dentate (scappamento a verga e bilanciere), era azionato da un peso normale e da un peso supplementare per le ore notturne. Non aveva lancette ma numerosi quadranti girevoli che indicavano le ore e il moto del Sole, della Luna e di cinque pianeti, oltre che il calendario perpetuo delle feste religiose mobili.

3.1. Orologi a pendolo  
Una serie di invenzioni nel XVII e nel XVIII secolo migliorò la precisione degli orologi e ne ridusse il peso e l'ingombro. L'isocronismo delle oscillazioni del pendolo, descritte da Galileo nel XVI secolo, permise al fisico olandese Christiaan Huygens di realizzare nel 1657 il primo orologio basato su tale principio. Nel 1667 Robert Hooke inventò un tipo di scappamento, poi perfezionato dall'orologiaio George Graham, che consentiva di utilizzare pendoli con piccole oscillazioni.

3.2. Orologi portatili  
Gli orologi portatili diventarono possibili dopo l'introduzione, avvenuta in Italia verso il 1450, del motore a molla, una molla a spirale piana che, dopo essere stata caricata, forniva l'energia necessaria ad azionare il meccanismo. I primi orologi da tasca, detti in seguito a un errore di traduzione "uova di Norimberga", furono costruiti probabilmente dall'orologiaio tedesco Peter Henlein intorno al 1500. Nel 1525 a Praga l'orologiaio Jacob Zech inventò la fusella (o conoide), un dispositivo che regolarizzava l'azione della molla motrice. Altri perfezionamenti furono la molla a spirale del bilanciere, inventata intorno al 1660 da Robert Hooke, e lo scappamento ad ancora, inventato nel 1765 dall'inglese Thomas Mudge.

Nel XVII secolo comparvero le lancette dei minuti e dei secondi e il vetro di protezione del quadrante; nel XVIII secolo furono introdotti i "rubini", i cuscinetti di pietra dura che riducono l'attrito dei perni nei fori, prolungando così la vita degli orologi.

Nei secoli che precedettero la fabbricazione a macchina delle singole parti occorreva un'abilità artigianale di altissimo livello per costruire orologi precisi e resistenti. Per controllare l'attività e l'apprendistato degli orologiai sorsero organizzazioni locali di artigiani come la Corporazione degli orologiai di Parigi (1544). La corporazione nota come Clockmakers' Company, fondata a Londra nel 1630, esiste tuttora. Anche in Olanda, Germania e Svizzera lavorarono bravissimi orologiai la cui produzione era famosa per bellezza e alto grado di perfezione meccanica.

Gli orologi portatili erano inizialmente scatolette di forma cilindrica o sferica e venivano portati appesi alla cintura e tenuti in tasca. Gli orologi da polso nacquero quando le dimensioni lo consentirono. Dal XVIII secolo l'industria orologiaia svizzera, localizzata inizialmente nelle montagne del Giura e costituita da piccolissime fabbriche casalinghe che coinvolgevano tutta la famiglia, acquistò importanza a livello mondiale, fino a trasformarsi in un'industria di grandi dimensioni.

3.3. Orologi ornamentali  L'orologio, oltre che uno strumento di pura utilità, rappresentò spesso un elemento ornamentale e artistico. Molti orologi antichi erano decorati con incisioni raffinate, e addirittura gli orologi da torre dell'Europa tardomedievale azionavano grosse statue di santi o di figure allegoriche. Intorno al 1730 nella Foresta Nera, in Germania, cominciò la produzione degli orologi a cucù, tuttora popolari, nei quali un uccellino di legno scolpito usciva dalla cassa "cantando" l'ora. Anche l'orologio a pendolo da pavimento, detto "orologio del nonno", ha mantenuto il medesimo aspetto di quando le sue ruote dentate venivano fabbricate a mano: è ancora un orologio ornamentale di grande fascino e popolarità, caratterizzato da un alto mobile in cui trovano posto la scatola della meccanica, nella parte superiore, oltre al pendolo e al peso, ben visibili nella parte inferiore.

4. SVILUPPI RECENTI  
L'orologio elettrico fu inventato negli Stati Uniti agli inizi del Novecento da E. Warren, che convinse i produttori di energia elettrica a regolare con precisione la frequenza della corrente alternata erogata, in modo da poter usare motori sincroni per azionare gli orologi. Nel 1921 l'invenzione del pendolo libero di Shortt, installato per la prima volta presso l'osservatorio di Edimburgo, rese possibile la costruzione di un orologio la cui precisione fu superata soltanto nel 1929 con la realizzazione dei primi orologi al quarzo. L'orologio atomico al cesio fu costruito in Inghilterra nel 1955.

Gli orologi da polso elettrici comparvero sul mercato nel 1957, seguiti nel 1959 da un orologio elettronico che aveva un piccolo diapason al posto del tradizionale scappamento a bilanciere, e usava una pila per alimentare un circuito oscillante transistorizzato.

Novità più recenti sono gli orologi digitali con quadrante a LED o a cristalli liquidi. In entrambi i tipi di orologi, un cristallo di quarzo controlla le oscillazioni di una corrente elettrica, la cui frequenza viene ridotta a valori utili per la misurazione del tempo.

I progressi della metallurgia e di diversi altri settori scientifici hanno portato a sensibili miglioramenti in tutti i tipi di orologio. Le molle degli attuali orologi meccanici sono realizzate con metalli infrangibili e inossidabili; pietre sintetiche hanno sostituito le pietre dure nella fabbricazione dei cuscinetti e le casse sono a tenuta di polvere e di umidità. Inoltre sono attuale oggetto di ricerca nuove fonti di energia, ad esempio la luce solare e il calore del corpo umano.

5. OROLOGI MECCANICI  
Negli orologi meccanici la forza motrice, fornita da un peso, da una molla, o da corrente elettrica, viene trasmessa mediante un sistema di ruote dentate, la cui velocità di rotazione è controllata da un sistema oscillante, detto scappamento, a pendolo o a bilanciere. L'ora è indicata da numeri stampati su piastrine ribaltabili o su dischi girevoli oppure, più comunemente, da lancette in movimento su un quadrante.

Gli orologi meccanici da parete o da tavolo con motore a peso o a molla devono essere periodicamente ricaricati, in genere una volta al giorno, così come quelli portatili, che sono sempre con motore a molla.

6. OROLOGI ELETTRICI ED ELETTRONICI  
I primi orologi elettrici per uso domestico erano in realtà orologi meccanici da parete o da tavolo, con scappamento a bilanciere, azionati da un piccolo motore elettrico sincrono alimentato a pila. Quelli moderni sono invece azionati da un minuscolo motore a pila che ruota con periodo costante e quindi è privo di scappamento. Gli orologi elettrici stradali sono in genere solo dei ripetitori comandati da un orologio pilota.

Gli orologi al quarzo, inventati nel 1929, sono dotati di un circuito elettronico che sfrutta l'effetto piezoelettrico di un cristallo di quarzo, oscillante a 100.000 Hz (hertz, o cicli al secondo), per regolare la frequenza della corrente elettrica fornita dalla pila. Negli orologi analogici gli impulsi di corrente scanditi dal cristallo fanno girare le lancette, mentre in quelli digitali eccitano i cristalli liquidi o i LED (diodi a emissione di luce) corrispondenti ai numeri del quadrante. Gli orologi al quarzo sono molto più precisi di ogni altro (esclusi gli orologi atomici): quelli di buona qualità possono arrivare a un errore di un secondo in dieci anni.

7. CRONOMETRI E CRONOGRAFI  
La qualifica di cronometro viene assegnata, da appositi enti internazionali, agli orologi meccanici estremamente precisi che hanno superato rigorose prove di qualità. Famosi, ma ormai di solo interesse storico, sono i cronometri da marina, montati su sospensione cardanica per tenere il delicato meccanismo sempre in posizione rigorosamente orizzontale.

I cronografi invece sono i più comuni dei cosiddetti orologi con complicazioni: sono dotati infatti di un meccanismo complesso, capace di scandire anche le frazioni di secondo, e di un quadrante multiplo su cui si trovano lancette supplementari per fornire varie indicazioni. Alcuni cronometri specializzati, come quelli usati nelle competizioni sportive, non danno l'indicazione dell'ora, ma misurano gli intervalli di tempo fino a un millesimo di secondo. La grande diffusione degli orologi elettronici ha notevolmente incrementato il numero degli orologi con complicazioni: oggi esistono orologi che misurano la pressione atmosferica, la profondità di immersione in mare o l'altitudine in montagna, il battito cardiaco, la velocità di un'automobile, oppure che indicano la cadenza delle maree o la durata di una partita di calcio.

8. OROLOGI ATOMICI  Gli orologi più precisi oggi conosciuti sono gli orologi atomici, che sfruttano la frequenza di oscillazione delle radiazioni emesse da particolari atomi o molecole, in corrispondenza di transizioni tra stati energetici diversi. Il funzionamento dell'orologio atomico al cesio, usato per definire l'unità di tempo nel Sistema Internazionale, è basato sulla frequenza dell'energia assorbita da un atomo di cesio in corrispondenza di transizioni tra stati atomici caratterizzati da una diversa orientazione del momento magnetico.

Il funzionamento dell'orologio ad ammoniaca e dell'orologio a idrogeno è basato sul medesimo principio di operazione del maser: la regolazione del tempo viene effettuata utilizzando la frequenza rigorosamente costante con cui le molecole oscillano tra stati corrispondenti a due livelli energetici definiti. La precisione degli orologi atomici ha permesso di scoprire che il periodo di rotazione della Terra può variare, da un giorno all'altro, di 4 o 5 millisecondi.