L'orologio di Littlemore - Invar

L'Invar è una lega dal coefficiente di dilatazione termica bassissimo.
All'aumentare della temperatura di 1° centigrado, un'asta di Invar lunga 10 chilometri si allunga fra gli 0,8 e i 2 centimetri, a seconda del tipo di lavorazione con cui è stata ottenuta.
Per contro, un'asta in acciaio nelle stesse condizioni si allungherebbe di 11 cm., una in ottone di 19, una in alluminio di 25,5.
Essendo 10 chilometri corrispondenti ad un milione di centimetri, le espansioni vengono espresse di solito in parti per milione per grado di variazione della temperatura.
Esiste anche una lega chiamata Super Invar con un coefficiente di dilatazione ancora minore, non più di 0,63 parti per milione e, addirittura, a volte negativo: la lega cioè si accorcia all'aumentare della temperatura.
L'accorciamento può avvenire nella misura massima di circa 0,1 parti per milione per grado di variazione della temperatura (1 millimetro per 10 chilometri ad ogni grado centigrado di variazione della temperatura).
L'Invar è un acciaio con un tenore di nickel del 36% circa e con piccole quantità di altri elementi, aggiunti a scopo di migliorarne la lavorabilità oppure non eliminati completamente durante il ciclo produttivo.
Le leghe pure sono infatti sempre difficili da ottenere. In commercio, almeno presso le fonti di cui siamo a conoscenza, si trovano di solito tre tipi di Invar:

1) Invar 36, poco utilizzato perché molto difficile da lavorare. Il suo coefficiente di dilatazione termico è di circa 1,6 parti per milione. La sua composizione chimica è questa:

2) Invar FM (Free Machining, facilmente lavorabile) che contiene del selenio e una maggior percentuale di manganese rispetto all'Invar 36. Purtroppo contiene anche una percentuale doppia di carbonio, che sembra contribuisca a causare l'instabilità sul lungo termine della sua struttura e quindi a renderlo soggetto a piccole deformazioni spontanee.

3) Super Invar, contenente una leggera percentuale di cobalto, con coefficiente di espansione massimo di circa 0,63 parti per milione. Esperienze nel suo impiego indicano che è il tipo di Invar strutturalmente meno stabile e quindi maggiormente soggetto a variazioni spontanee delle dimensioni.
Queste si possono comunque minimizzare attraverso un processo di rinvenimento, cioè di lento riscaldamento dopo la tempera. Il processo porta inevitabilmente ad una leggera riduzione della durezza della lega.

Come detto, uno dei problemi derivanti dall' impiego dell'Invar è dato dall'instabilità della sua struttura.
Le dimensioni dell'asta di un pendolo costruita con questo metallo possono variare nel tempo, influenzando negativamente la regolarità di marcia di un orologio.

E' famoso il caso di un accuratissimo (e costosissimo) orologio di precisione Shortt, il Numero 4, che soffriva di questo problema. Nell' orologio di Littlemore si è cercato di ovviare a questo inconveniente impiegando Invar vecchio di 15 anni nel quale la maggior parte delle variazioni nella struttura dovrebbero già essere avvenute.

Recentemente, la NASA ha sviluppato un particolare tipo di Invar, detto HP (High Purity, ad elevata purezza) Invar 36.
E' caratterizzato da un netto miglioramento sia del coefficiente di dilatazione termica che della stabilità strutturale rispetto ai tipi di Invar tradizionale. Ne è stata prodotta una piccola quantità per la sonda Cassini utilizzando polveri di ferro e nickel con elevato grado di purezza.
Queste sono state pesate, mescolate, pressate in uno stampo e sinterizzate in atmosfera controllata. Metà del prodotto è stata estrusa e l'altra metà è stata forgiata a caldo.
Le eccezionali proprietà della lega sembrano dovute alla sua elevata purezza, soprattutto al contenuto in carbonio inferiore allo 0,01%.
Purtroppo non è disponibile per l'acquisto! [Dal NASA Technical Support Package "Temporally and Thermally Stable Iron/Nickel Alloy" per l'edizione dell' Agosto 1995 dei NASA Tech Briefs]