Invar, Elinvar, Nivarox: il premio Nobel nascosto in ogni spirale

La spirale e il caldo

Il cuore di un orologio meccanico è l’oscillatore formato da bilanciere e spirale, che abbiamo descritto nell’articolo sulla frequenza. Il suo ritmo dipende da due grandezze: l’inerzia del bilanciere e la rigidità della spirale. Qualunque cosa cambi l’una o l’altra cambia la marcia.

La temperatura le cambia entrambe. Con il caldo il bilanciere si dilata, e un bilanciere più grande ha più inerzia: oscilla più lentamente. Ma l’effetto più forte riguarda la spirale. Quasi tutti i metalli, quando si scaldano, diventano leggermente meno rigidi: il loro modulo di elasticità diminuisce. Una spirale d’acciaio meno rigida richiama il bilanciere con meno forza, e le oscillazioni rallentano. Risultato: d’estate, o al polso caldo, un orologio con spirale d’acciaio ritarda; d’inverno anticipa. Su un orologio di precisione, la differenza era inaccettabile.

Le prime soluzioni: acciaio, oro, vetro

I primi costruttori di spirali, come Hooke e Huygens nel Seicento, avevano già notato il problema senza trovare una soluzione. Si provarono materiali diversi:

• Acciaio non temprato, che però si indeboliva col tempo, facendo ritardare l’orologio.
• Oro, usato per esempio da John Arnold, che non arrugginisce ma ha gli stessi problemi di cedimento.
• Acciaio temprato e rinvenuto, introdotto da John Harrison, che divenne lo standard fino al Novecento.
• Vetro: nel 1833 E. J. Dent, il costruttore del grande orologio del Parlamento di Londra, provò una spirale di vetro, molto meno sensibile al calore e immune dalla ruggine. Era però difficile e costosa da produrre, e tutti la ritenevano troppo fragile.

Il bilanciere compensato

Se non si poteva cambiare il comportamento della spirale, si poteva compensarlo con il bilanciere. Harrison, nei suoi cronometri da marina, usò un «correttore di compensazione»: un piccolo termometro bimetallico che modificava la lunghezza attiva della spirale. Funzionava, ma non si diffuse.

La soluzione che si impose nacque verso il 1765 con Pierre Le Roy e fu resa semplice da Thomas Earnshaw: il bilanciere compensato bimetallico. La corona del bilanciere è fatta di due metalli saldati insieme, ottone all’esterno e acciaio all’interno, ed è tagliata in due punti. Quando la temperatura sale, l’ottone si dilata più dell’acciaio e i due semicerchi si incurvano verso l’interno: la massa si avvicina all’asse, l’inerzia diminuisce e il bilanciere accelera, compensando il rallentamento dovuto alla spirale. Le viti sulla corona servono a regolare la compensazione.

Il bilanciere compensato ha un difetto noto come errore della temperatura media: se la compensazione è regolata per essere esatta agli estremi, sarà leggermente sbagliata alle temperature intermedie, e viceversa. Per correggerlo furono inventati meccanismi di «compensazione ausiliaria», tutti complicati e difficili da regolare. Per un secolo e mezzo i migliori orologiai combatterono con questo problema.

Guillaume e le leghe anomale

La soluzione arrivò non da un orologiaio ma da un fisico. Charles-Édouard Guillaume, nato nel 1861 a Fleurier, nel Val-de-Travers, figlio di un orologiaio, lavorava al Bureau international des poids et mesures di Sèvres, l’istituto che custodisce i campioni delle unità di misura. Per costruire strumenti di misura che non cambiassero dimensione con la temperatura, studiava le leghe di ferro e nichel. Scoprì che alcune di esse avevano un comportamento anomalo.

• Invar (da invariable): una lega di ferro e nichel con un coefficiente di dilatazione termica quasi nullo. Non cambia lunghezza con il caldo e il freddo; divenne lo standard per i campioni di misura e, in orologeria, per i pendoli di precisione.
• Elinvar (da élasticité invariable): una lega di ferro, nichel e cromo, nella versione originale 52% ferro, 36% nichel e 12% cromo, il cui modulo di elasticità quasi non varia con la temperatura. Esattamente ciò che serviva per una spirale. Inoltre è quasi amagnetica e resistente alla corrosione.

Guillaume mise a punto anche una variante dell’Invar per la corona dei bilancieri compensati, eliminando l’errore della temperatura media: è il bilanciere Guillaume, usato nei cronometri di precisione.

Con una spirale in Elinvar, invece, il bilanciere compensato diventava quasi superfluo. Si poteva usare un bilanciere monometallico, semplice e senza tagli, e ottenere orologi poco sensibili alla temperatura a costi molto inferiori. Nel 1920 Guillaume ricevette il premio Nobel per la fisica «per il servizio reso alle misure di precisione in fisica con la scoperta delle anomalie nelle leghe di acciaio al nichel». Raramente un premio Nobel ha avuto conseguenze così concrete su un oggetto che portiamo al polso.

Nivarox: la spirale di quasi tutti

L’Elinvar aprì una strada che altri percorsero. Negli anni Trenta Reinhard Straumann, direttore tecnico della fabbrica Thommen di Waldenburg, sviluppò nel suo laboratorio privato una nuova lega per spirali, messa a punto nel 1933. La chiamò Nivarox, dal tedesco Nicht variabel oxydfest: «non variabile, resistente all’ossidazione». Oltre a ferro e nichel conteneva cromo, titanio e una piccola quantità di berillio, che la rendeva più resistente alle rotture, alla corrosione e al magnetismo.

Nel 1934 Straumann fondò a Saint-Imier la Nivarox SA. Negli anni Ottanta l’azienda si fuse con le Fabriques d’Assortiments Réunies di Le Locle, diventando Nivarox-FAR, oggi parte dello Swatch Group. Per decenni gran parte delle spirali degli orologi svizzeri è uscita da qui; la stessa ETA, che produce in proprio quasi ogni componente dei suoi movimenti, si rifornisce di spirali dalla consociata Nivarox.

La forma della spirale conta quanto la lega. Per rendere l’oscillazione più regolare al variare dell’ampiezza, molti orologi di qualità usano ancora la curva Breguet, inventata nel 1795, che solleva l’ultima spira su un piano diverso e permette alla spirale di «respirare» in modo concentrico.

Dopo il Nivarox: Parachrom e silicio

Alla fine del Novecento la ricerca è ripartita, spinta soprattutto da due nemici: il magnetismo (ne parliamo nell’articolo dedicato) e gli urti.

• Parachrom (Rolex, 2000). Una lega brevettata di niobio, zirconio e ossigeno, paramagnetica, cioè insensibile ai campi magnetici d’uso comune, stabile alle variazioni di temperatura e molto resistente agli urti.
• Silicio (dai primi anni Duemila). Prima con le ruote di scappamento del Freak di Ulysse Nardin (2001), poi con le spirali: Breguet le ha introdotte fra il 2006 e il 2010, Patek Philippe ha presentato nel 2006 la spirale Spiromax in Silinvar, un silicio rivestito di ossido di silicio. Lo sviluppo è nato in collaborazione con il centro di ricerca CSEM di Neuchâtel e un consorzio di grandi case. Il silicio è amagnetico, leggero, non ha bisogno di lubrificazione e, grazie allo strato di ossido, può essere reso insensibile alla temperatura; si lavora con le tecniche dei microchip, con precisioni impossibili per il filo metallico.

Una storia in date

Domande frequenti

Perché d’estate il mio vecchio orologio ritarda?

Se ha una spirale d’acciaio e il bilanciere compensato è fuori regolazione, il caldo rende la spirale meno rigida e il bilanciere più lento. Con le leghe moderne l’effetto è molto ridotto, ma non del tutto assente.

Che cosa c’entra un premio Nobel con gli orologi?

Charles-Édouard Guillaume ricevette il Nobel per la fisica nel 1920 per la scoperta delle leghe di ferro e nichel con proprietà anomale, fra cui l’Elinvar, la cui elasticità quasi non cambia con la temperatura. Quelle leghe hanno reso semplici e affidabili le spirali degli orologi.

Le spirali in silicio sono migliori?

Hanno vantaggi chiari: sono amagnetiche, leggere e molto precise. Sono però più recenti, e alcune riparazioni richiedono il ricambio originale del costruttore. Una buona spirale in lega metallica, ben regolata, resta comunque eccellente.