Stories 11/2024 – Misurare il tempo

Pillole di Bit Stories è un podcast speciale, che esce il primo giorno del mese, come ringraziamento, quando le donazioni superano una certa soglia. Oggi è il primo di Novembre 2024 ed esce perché a Settembre siete stati davvero molto generosi e ho pensato che fosse dovuto un ringraziamento speciale. E come ringraziarvi, se non con una puntata extra, diversa dal solito, al di fuori della consueta scaletta?
Grazie, davvero, e buon ascolto di questa puntata dedicata ad una storia dell’informatica o della tecnologia

Misurare il tempo è una cosa che l’uomo cerca di fare e a da tempo immemore, abbiamo sempre visto che il Sole sorge e tramonta in modo regolare, che la Luna passa da piena a nuova in periodi sempre uguali, che il clima cambia, durante più giornate e più cicli lunari, in cicli altrettanto lineari, fa caldo, poi fa meno caldo, gli alberi perdono le foglie, fa freddo, poi torna ad essere tiepido, gli alberi rimettono le foglie e torna il caldo.
Misurare tutte queste cose, in generale il tempo, è stata una cosa che l’uomo ha cercato di fare da sempre.
Uno dei primi modi, che pare sia stato usato ancora prima degli Egizi, che abbiamo ancora oggi in molti posti, è la meridiana.
Un palo nel terreno o su un muro, la cui ombra si sposta seguendo il movimento del sole.
Non serve aver studiato astronomia, non astrologia, quella è non-scienza per prendere in giro la gente, per comprendere alcuni limiti della meridiana.
Segna l’ora giusta praticamente solo a mezzogiorno, con il variare delle stagioni il movimento apparente del sole in cielo cambia e le ore indicate dall’ombra sono sempre diverse.
In più di notte non funziona, mancando il sole.
La luna non c’è sempre e quando c’è la sua posizione nel cielo non è sempre la stessa e non può essere indicativa dell’orario.
Un bel problema.
Nella storia sono rimaste tracce di antichi orologi con complicati meccanismi ad acqua, che potevano funzionare sempre, anche di notte, grazie al costante apporto di acqua che faceva funzionare i meccanismi.
Ce n’è uno anche a Roma a Villa Borghese, se siete interessati.
Nel medioevo nascono i primi orologi a molla e intorno al 1300 vengono installati sui primi campanili, la precisione non è eccelsa, ma permettevano alle persone di sapere l’ora sempre, guardando verso il campanile.
Uno degli orologi meccanici più antichi in Europa lo si può vedere nella cattedrale di Salisbury, nel sud dell’Inghilterra, è datato 1386, io l’ho visto e mi sono fermato ad osservarlo fino a quando mia moglia mi ha detto “ehi abbiamo un viaggio da fare”, è pazzesco nella sua semplicità, ma fa tutto, rintocchi compresi.
Uno degli orologi meccanici più famosi in europa è l’orologio astronomico di Praga, costruito nel 1410.
Credo sia uno degli orologi più belli che abbia mai visto.
L’uomo ha sempre avuto una capacità meccanica che, se la pensiamo nel secondo secolo, fa impressione.
Progettare e realizzare ruote dentate così precise da fare un orologio del genere nel 1400, se ci pensate bene, è una cosa straordinaria.
Il problema però è sempre uno: avere un battito di riferimento, noi ora diremo una frequenza di clock, preciso su cui fare affidamento, per non dover regolare l’orologio di continuo.
Intorno al 1600 ci viene in soccorso Galileo Galilei che studia il movimento del pendolo, grazie al suo isocronismo, la regolarità dell’oscillazione, abbiamo finalmente un modo su cui basare il procedere del tempo.
Se abbiamo un sistema che si muove in modo regolare, sempre nello stesso tempo, possiamo fare in modo di attaccarlo a un altro sistema che misuri lo scorrere del tempo.
Fisici, per cortesia perdonatemi.
Se ho un punto fisso, al quale collego un filo inestensibile e alla fine una massa puntiforme, in un ambiente privo di attrito, se faccio oscillare la massa puntiforme, questa oscillazione durerà sempre lo stesso tempo da quando io la avvio.
La durata dell’oscillazione varia in base alla lunghezza del filo e alla dimensione della massa.
Nel mondo reale si può creare un pendolo con un’asta al fondo della quale è fissato un peso, la distanza tra il fulcro dell’oscillazione e il peso si può regolare, in modo da poter tarare l’oscillazione, in modo che duri esattamente un secondo.
Visto che nel mondo reale c’è l’aria e ci sono gli attriti, esistono dei sistemi, detti scappamenti, solitamente dei pesi su catena, che aiutano il pendolo a non perdere velocità nel tempo, questi vanno regolarmente riposizionati, come se fosse la carica del pendolo stesso.
Abbiamo il nostro clock a 1 Hz, una volta a secondo.
Oppure un multiplo, che possiamo poi dividere
Tramite una ruota dentata e due fermi che oscillano, il pendolo permette a un meccanismo di muoversi, con regolarità, una volta a secondo.
Con gli adeguati ingranaggi, questo meccanismo fa muovere le lancette delle ore e dei minuti.
Il primo orologio a pendolo fu brevettato nel 1656.
Dal 1657 in Olanda, ora Paesi Bassi, venne iniziata la produzione.
Abbiamo finalmente un sistema abbastanza preciso per misurare il tempo, ma ha un piccolo problema, che, effettivamente, piccolo non è: le dimensioni.
Non si può mettere un orologio a pendolo in ogni posto dove sarebbe comodo avere un orologio in città e non si può mettere un orologio a pendolo in tasca.
Nel 1880 a Parigi hanno fatto una cosa, che quando l’ho scoperta, ho semplicemente esternato “wow!”
La legge di Segal dice “Un uomo con un orologio sa che ore sono. Un uomo con due orologi non ne è mai sicuro.”
Immaginate di avere una città, tanti orologi in giro e tutti che segnano un’ora diversa. Un incubo.
In quel periodo avevano una rete di posta pneumatica nel sottosuolo molto estesa, ma centinaia di km.
La posta pneumatica l’avrete vista nei supermercati, quando la cassiera infila un po’ di contanti in un bussolotto e poi questo in un tubo che con un risucchio va via.
Il tubo, sottoposto a variazioni di pressione, fa muovere questi bussolotti a velocità molto elevate tra due posti.
Lo usavano anche nell’ASL solve lavoravo intorno al 2000 a Pinerolo, in provincia di Torino, tra gli uffici e l’ospedale, che distavano circa 500m.
Cosa hanno fatto questi geni dei francesi?
Hanno preso un orologio master, a pendolo e lo hanno messo in un punto dove avevano l’arrivo dei tubi della posta pneumatica e il compressore per l’aria.
Hanno collegato il meccanismo dell’orologio, dopo vi parlo dell’orologio che ho visto a Salisbury, a una valvola tra il compressore e i tubi dell’aria compressa.
Poi hanno messo gli orologi in città, tutti collegati ai tubi dell’aria compressa.
L’orologio master, tramite un meccanismo puramente meccanico, apriva per un attimo la valvola del compressore per un attimo, sufficiente a inviare un impulso di aria compressa lungo i tubi che, arrivati agli orologi collegati, azionavano un martelletto che faceva andare avanti l’orologio di un minuto.
Non sincronizzati in tempo reale, perché all’aria serve il tempo di muoversi, ma sicuramente non tutti sfasati come potrebbero essere due orologi da taschino a molla che non sono stati sincronizzati per qualche giorno.
La sincronia degli orologi evolverà nel tempo, ma ci arriveremo.
Ho parlato degli orologi da taschino, ma anche quelli da polso.
Gli orologi al quarzo, di cui ho parlato nella puntata 296, non c’erano ancora, era tutto meccanico.
In qualche modo si doveva replicare, molto più in piccolo, il funzionamento del pendolo, per avere qualcosa che battesse il tempo in tasca.
La meccanica degli orologi è una cosa pazzesca, se andate a studiarla, è quasi ipnotizzante.
Come si può fare per avere un pendolo così piccolo?
Serve qualcosa che oscilli, essendo così piccolo non sarà sicuramente un’oscillazione al secondo, ma deve generare un movimento simile al pendolo.
Prendete un oggetto circolare, piccolo, mettete dei microscopici pesetti alle sue estremità e fissate il centro a un perno che è fissato ad una piccolissima molla di quelle circolari che si arrotolano.
Abbiamo un pendolo, negli orologi piccoli è chiamato bilanciere.
Lo facciamo oscillare, la molla si tende e poi rilascia, facendolo muovere continuamente, ad una velocità data dalla posizione e dimensione dei pesetti di cui parlavo prima, che sono regolabili.
La molla è uno scappamento, come per il pendolo vero, impedisce al pendolo di fermarsi, ma si scarica, va quindi caricata a mano con una piccola ghiera che esce dal quadrante dell’orologio.
Il bilanciere, con un meccanismo del tutto simile agli orologi a pendolo da casa, ma molto più piccolo e con rapporti diversi, visto che oscilla in modo diverso, farà muovere le lancette.
Essendo meccanico la sua precisione non sarà altissima e ogni tanto andrà risincronizzato a mano.
Esistono gli orologi automatici, che hanno un piccolo peso all’interno dell’orologio che si muove con il movimento del polso e va a caricare continuamente la molla, evitando che questa si scarichi.
Anche questi sono da sincronizzare a mano ogni tanto facendo riferimento ad un orologio più preciso.
Poi è arrivata l’elettronica e i quarzi.
Il quarzo, grazie alle sue caratteristiche piezoelettriche, se ha una tensione applicata, genera una frequenza molto stabile, questa, se adeguatamente divisa, porta da avere una frequenza di 1Hz molto precisa, che applicata a un piccolo motorino, fa girare le lancette di un orologio.
Abbiamo rimosso una buona parte della meccanica, la carica, sostituita da una batteria e il pendolo, sostituito da un quarzo.
La precisione aumenta, ma non è precisissima e soprattutto l’orologio non si adatta al cambio ora solare e legale.
AI tempi moderni e attuali manca un orologio davvero preciso e un sistema per diffondere questa precisione in tutto il mondo.
Non vi parlerò dei fusi orari perché, che ci crediate o no, è roba di una complicazione assurda, ma davvero pazzesca.
Cosa abbiamo, che si possa usare, che oscilla in modo più preciso di un quarzo?
Qui andiamo oltre la mia conoscenza, per questo non sono in grado di raccontarvela facile, ma grazie agli studi degli atomi, siamo riusciti, dal 1949 in avanti, ad avere degli orologi atomici, che sono basati su particolari atomi, come ad esempio i cesio, e che sono così precisi da avere un’accuratezza di un nanosecondo al giorno. Un nanosecondo è un miliardesimo di secondo, per arrivare a perdere un secondo devono passare 2.740.000 anni circa. Direi abbastanza precisi.
Con questi orologi ci sono gli enti che definiscono il tempo standard, al quale tutto il mondo si adegua, a partire dal conosciuto UTC, il Tempo Coordinato Universale, l’acronimo sembra con le lettere invertite perché deve andare bene per l’inglese e il francese.
Ok, ne devo parlare, per sommi capi, nel mondo, a seconda dei meridiani, abbiamo orari diversi, perché il sole illumina la terra, in quanto quasi sferica, no, non è piatta, in tempi diversi, lungo l’arco della giornata.
Il punto di riferimento è il meridiano di Greenwich, in Regno unito, dove c’è il tempo zero.
Tutto quello che è a est, è indicato con un + davanti, perché il sole arriva prima, tutto quello che è a ovest con un -, perché il sole arriva dopo.
L’italia, ad esempio è a +1 con l’ora solare, +2 con l’ora legale
Ma non è finita, io vi avevo avvertiti, ci sono dei fusi orari che hanno dei nomi, indipendentemente dal cambio dell’ora.
Quando vi dicono alle 12:30 CEST, vuol dire Central European Summer Time, l’ora di Roma in estate, ora solare. Se invece vi dicono 12:30 CET, vuol dire Central European Time, l’ora di Roma, ma anche Amsterdam, Berlino e le altre capitali sullo stesso fuso, in inverno, con l’ora legale.
Negli Stati Uniti hanno EST, PST, CST. MST, PST
Vi serviranno? Solo quando lavorate con gente sparsa per il globo o andrete a sviluppare software e dovrete gestire i fusi orari, con tanti auguri.
Torniamo a noi.
Abbiamo finalmente degli orologi precisissimi, che segnano il tempo in un modo più preciso di quello che fa il sole girando intorno alla terra, per questo ogni tanto dobbiamo aggiungere il leap second, come facciamo a diffondere questa precisione in tutto il mondo?
Prima della diffusione di Internet sono state create delle antenne che trasmettevano il segnale dell’ora esatta a grandissime distanze, questo segnale veniva recepito dagli orologi radio controllati, tipicamente una volta al giorno, che si sincronizzavano ed erano sempre sull’ora esatta. Quando comprai il primo, aspettai con ansia il cambio dell’ora per vedere se davvero cambiava l’ora automaticamente, invece di dover passare tutti gli orologi di casa a mano. Ed effettivamente funzionava.
Il trasmettitore più famoso in Europa, il DCF77 è in Germania, vicino Francoforte sul Meno trasmette il segnale orario su una frequenza di 75 kHz e ha una potenza di 50 kW, il segnale, riflesso dalla ionosfera, arriva fino a oltre 1000 km di distanza. Altro che Radio Maria. Ha iniziato a trasmettere data e ora nel 1973.
Tutti sappiamo che le onde radio hanno un loro tempo di propagazione, nella trasmissione c’è la posizione dell’antenna, in modo che l’orologio possa calcolare il tempo di scarto per la propagazione e impostare l’ora giusta. Se volete sapere nel dettaglio come viene trasmessa l’ora, vi lascio nelle note un documento con il dettaglio del protocollo.
In Italia, oltre all’ora esatta del Televideo, su cui potrei fare una puntata, abbiamo avuto per molto tempo il segnale orario della rai, trasmesso via radio dal 1942 e dalla TV, dal 1977. Quello in radio era codificato in modo da essere usato da riceventi per una sincronia automatica, quello in TV credo che i più anziani se lo ricordino

Quando siamo passati alla tv digitale il segnale orario in TV ha perso il suo senso, in quanto il ritardo della trasmissione non prevedibile lo ha reso di fatto inutile.
Adesso siamo nell’era digitale, quella dove c’è Internet per ogni dove, ci sarà qualcosa su Internet, no?
Nel mondo abbiamo molti orologi atomici, questi sono collegati a dei server che diffondono, tramite nomi e IP pubblici un protocollo, NTP, Network Time Protocol, sulla porta UDP 123.
È nato nel 1985 ed è usato attualmente in tutto il mondo per tenere in sincrono gli orologi di tutti i computer del mondo.
Se a noi dà fastidio avere due orologi vicini sfasati, tipo in cucina l’orologio del forno e quello del microonde, avere due server con l’orario sballato può avere effetti catastrofici in moltissimi ambiti, quelli finanziari, i certificati di sicurezza, le chiavi di autenticazione a due fattori con i codici che cambiano del tempo e moltissimi altri settori. Provate a navigare su Internet con un computer con l’ora sfasata anche di poco, non funziona niente.
Il protocollo NTP, con il suo sistema a strati e ridondanza fa sì che quando viene interrogato, possa fornire il timestamp esatto dei secondi e nanosecondi in un pacchetto di 64 bit, partendo dal primo gennaio 1900. Il 7 febbraio 2036 si resetterà.
Ricevuto il timestamp, la macchina sa su che fuso orario è configurata e imposta l’ora esatta.
il protocollo NTP, in una rete locale permette una precisione nell’ordine dei millisecondi, ma su larga scala, complica la velocità in best effort delle reti, mantenere una sincronia precisa, diventa difficile.
È però necessario che, in determinati settori, server e computer abbiano lo stesso orario, ma molto preciso anche se ai meridiani opposti del mondo, come fare?
Lo sapete che i satelliti dei sistemi di posizionamento come GPS o Galileo hanno degli orologi atomici a bordo?
Se si ha un’antenna è possibile ricevere l’ora esatta, ma molto esatta, a questo punto si collega l’antenna a un server NTP locale ed ecco che tutti i server della rete locale avranno l’ora molto più precisa rispetto a quella che avrebbero se fossero collegati a un normale NTP su Internet.
Piccola curiosità finale: gli orologi dei satelliti di posizionamento devono tenere conto della relatività, semplificando moltissimo, prenderò bastonate dai fisici, teoria per la quale lo scorrere del tempo cambia a seconda della velocità alla quale si viaggia.
Questi orologi installati sui satelliti che sono a 20.000km dalla terra e viaggiano a 3,8 km/s devono essere regolati in modo che il loro secondo sia diverso dal secondo a terra, se non fossero regolati in questo modo la precisione del GPS passerebbe da 30cm a 22km.
Vi lascio un PDF con delle slide fatte molto bene.
Da ora in poi, quando guarderete l’ora, la guarderete in modo diverso.

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Siamo arrivati alla fine di questa puntata di Pillole di bit Stories, uscita, perché siete stati molto generosi nel mese di settembre vi ricordo che tutti i link relativi alle cose dette sono nelle note, che trovate sulla vostre app o sul sito.
Io sono Francesco, produttore e voce di questo podcast e vi do appuntamento alle puntate della programmazione normale, ogni lunedì mattina presto, vi registrate con un’app per podcast e la puntata vi arriva automagicamente.

Grazie per avermi ascoltato!

Ciao!