Il suo intento era di costruire un orologio
a pendolo con la precisione del quarzo, superando tutti i problemi classici
connessi con questo tipo di soluzione: resistenza dell'aria, tipo di
impulso, tipo di sospensione, ecc...
L'orologio appare semplicemente come un pendolo contenuto in un tubo
di vetro, incassato in una nicchia a muro, il tutto protetto da uno
sportello in perspex dalle dimensioni approssimative di 1,2 m. x 30
cm. Un computer controlla tutte le funzioni.
La stanza in cui è tenuto l' orologio ha pianta
quadra, con lato di 1,5 m. circa. Una finestra con doppia lastra in
perspex la separa da un vicino piccolo laboratorio costruito con assi
di legno. La struttura dell'orologio deve essere assolutamente rigida,
per questo è fissata ad una colonna in cemento che a sua volta è parte
integrante di una base sotterranea sempre in cemento di pianta quadra
con lato di 1,2 m. e profondità di 3,5 m. dal peso di circa 12 tonnellate.
La base è isolata dal terreno circostante per mezzo di uno strato di
50 mm. di polistirolo espanso, che serve ad eliminare le vibrazioni
derivanti da fonti esterne vicine. Queste precauzioni hanno portato
ad un considerevole incremento della precisione rispetto a precedenti
esperimenti.
Il pendolo è da un secondo ed è costruito in Invar (approfondimento disponibile). L'Invar è una lega con un coefficiente di dilatazione termica bassissimo. Al variare della temperatura le dimensioni dell' asta del pendolo variano di poco, quindi l'influenza sulla marcia è minima. L'asta ha un diametro di 9,6 mm. e la lente di 75 mm. La lente pesa 6,4 Kg. L'assieme è sostenuto da un elaborato sistema di piastre e viti che ne assicurano sia la rigidità che la perfetta verticalità. La sospensione del pendolo è costituita da una coppia di prismi in agata poggianti su una superficie piana, sempre in agata. I prismi sono fissati ad una barra in invar con sezione rettangolare. L'asta del pendolo passa fra i prismi e attraverso un parallelepipedo di invar. Il pendolo può anche muoversi su un piano ortogonale a quello di oscillazione, dato che è fissato alla barra rettangolare di invar attraverso due piccoli cuscinetti a sfere e un albero da 3 mm. fissato a pressione nell'asta. Questo assicura che il pendolo poggi liberamente e in maniera perfettamente verticale sul suo piano di sostegno. Ecco dei disegni del sistema:
Sotto al pendolo è stato montato un sistema di LED e foto
diodi. Un otturatore è fissato alla parte inferiore del pendolo.
Questo interrompe
il flusso di luce fra il led e il diodo tranne quando una fessura della larghezza
di 1,6 mm. passa fra i due dispositivi durante l'oscillazione del pendolo. Il
segnale fornito dal diodo ha tre utilizzi: serve per contare i secondi, per
misurare l'ampiezza di oscillazione e per controllare qualsiasi variazione nell'altezza
complessiva del sistema di sospensione. E' interessante notare che l'azione
del vento su un grande albero fuori dal laboratorio ha un effetto, pur limitato,
proprio su quest'ultima variabile.
La temperatura di esercizio dell'orologio viene mantenuta costante a 32° C con
uno scarto massimo di 0,05°.
Questa tolleranza può sembrare inutilmente ristretta
ma è imposta dall'elevatissima precisione desiderata.
Il pendolo oscilla in
un tubo di vetro del diametro di 150 mm., lunghezza di 1100 mm., con uno spessore
della parete di 8 mm., mantenuto ad una pressione molto ridotta, 0,000001 mb,
con una pompa a vuoto.
Gli impulsi del sistema a LED e diodi sono trasmessi ad un contatore
digitale, dal quale è ricavato un indicatore tradizionale a 12 ore. L'ora misurata
dall'orologio è continuamente raffrontata all'ora campione fornita da un ricevitore
GPS, con un grado di precisione di 0,1 millisecondi. Una volta ogni 60 minuti
il computer memorizza tutte le informazioni, col compito, fra l'altro, di usarle
per regolare l'ampiezza di oscillazione. Il tutto è collegato ad una stampante,
per controllare continuamente la marcia e le variazioni di ampiezza dell'oscillazione.
Al fine di preservare l'integrità del sistema, è necessario assicurarne il funzionamento
ininterrotto per lunghi periodi.
Per questo è stato previsto un gruppo di continuità
dell'alimentazione, per sopperire ad eventuali mancanze di elettricità.
L'orologio ha così funzionato per oltre 30 mesi, periodo sufficiente a provarne
l'affidabilità e la precisione.
La costanza dell'ampiezza dell'oscillazione dipende qui esclusivamente dalla
stabilità della sospensione.
Sembrerebbe che tutte le altre possibili cause
di variazione, di natura elettrica o meccanica, siano troppo piccole per avere
effetto oppure siano state adeguatamente compensate.
La precisione di un orologio non è facile da definire anche
se due criteri sembrano dominanti:
a) Differenza oraria dopo un certo periodo;
b) Stabilità della frequenza di funzionamento.
Fino a poco tempo fa, gli orologi Shortt erano considerati fra i migliori orologi
a pendolo del mondo. Dal grafico qui riportato risulta chiaro che l'ampiezza
dell'errore nella misura del tempo dopo oltre 250 giorni di funzionamento è
molto inferiore per l'orologio di Littlemore che per lo Shortt 48 (scelto come
esempio perché la sua marcia fu accuratamente osservata nel 1984):
