...

Scarica tutte le pagine in PDF

by user

on
Category: Documents
2

views

Report

Comments

Transcript

Scarica tutte le pagine in PDF
Gian Casalegno
motto
linea del solstizio
estivo
ombra del nodo
dello stilo
quadrante
linea del mezzogiorno
locale
ombra dello
stilo
http://digilander.libero.it/orologi.solari
linee orarie
linea degli equinozi
linea del solstizio
invernale
stilo o gnomone
Orologi Solari
Orologi Solari
Quadranti realizzati da Cristina Marchino
pag. 2
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
INDICE
COME SI LEGGONO - CONCETTI BASE ........................................................ 4
COME SI LEGGONO - APPROFONDIMENTI .................................................. 8
COME FUNZIONANO ....................................................................................... 16
COME SI COSTRUISCONO ............................................................................. 20
RIFERIMENTI .................................................................................................... 43
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 3
Orologi Solari
COME SI LEGGONO - CONCETTI BASE
Premessa
Quella che descrivo nel seguito è la più comune forma di orologio solare su parete verticale attualmente in uso, ovvero con linee orarie francesi indicanti il tempo solare locale o del fuso orario, con
stilo di tipo polare (o assostilo).
Più avanti, negli Approfondimenti, verranno descritti altri tipi di quadranti.
Lettura dell'ora
La lettura dell'ora su un quadrante solare è simile alla lettura di un comune orologio a lancette.
In questo caso l'unica lancetta è l'ombra che lo stilo (o gnomone) genera sulla parete sulla quale sono
disegnate le linee orarie: l’ombra segna le ore, manca la lancetta per i minuti.
Quando l'ombra si sovrappone ad una linea oraria, l'ora è quella indicata a fianco della linea oraria
stessa. Quando l'ombra si trova tra due linee l'ora è una via di mezzo tra le indicazioni riportate a fianco delle due linee; con un po' di buon senso è comunque possibile stimare anche il valore approssimato dei minuti. A volte possono essere presenti le linee delle mezz'ore ed anche dei quarti d'ora, ciò
semplifica la lettura.
L'ombra dello stilo ruota attorno al punto di incastro dello stilo in senso antiorario, ovvero al contrario
di quanto fa la lancetta di un orologio. Vedremo quindi al mattino l'ombra sul lato sinistro del quadrante, essa si sposterà quindi in basso e verso destra fino a raggiungere la linea del mezzogiorno,
quindi procederà nel pomeriggio verso l'alto a destra fino a morire al tramonto sul lato destro del quadrante.
Il quadrante è dunque simile a quello di un comune orologio a lancette, è diviso in 24 anziché 12 ore,
e viene percorso dalla lancetta (ombra) in senso antiorario.
Per fare un esempio, l'orologio raffigurato in copertina segna le ore 9 passate da pochi minuti, diciamo
circa le 9:05.
Inutile dire che il sole non è al corrente della eventuale ora legale! Se si è quindi d'estate, con l'ora legale in vigore, si deve aggiungere un'ora a quanto indicato dall'orologio solare per ottenere l'ora corretta. Lo stesso orologio dell'esempio andrebbe in tal caso letto come le ore 10:05 circa.
L'Equazione del Tempo
Non spaventi la terminologia scientifica, in realtà si tratta semplicemente dell'errore che necessariamente ogni orologio solare presenta rispetto ad un orologio classico.
Un orologio solare indica l'ora corretta1 4 sole volte l'anno (15 aprile, 13 giugno, 1 settembre e 24 dicembre), mentre negli altri giorni può avere un ritardo fino a 14' 16'' (l'11 febbraio) o un anticipo massimo di 16' 29'' (il 3 novembre). La ragione è la seguente.
Il sole compie il suo percorso nel nostro cielo con un ciclo periodico che dura 24 ore. In realtà queste
24 ore sono un valore medio su un anno, essendo la velocità apparente del sole nel cielo diversa, anche se di poco, giorno per giorno. Ciò significa che la posizione del sole nel cielo accumula secondi di
ritardo (o di anticipo) ogni giorno, arrivando ad una differenza rispetto a quanto segnato dal nostro
orologio di più o meno 15 minuti circa.
1
Ovviamente si parla di "ora corretta" rispetto al tempo medio artificiale creato dall'uomo (spiegato più avanti) mentre
rispetto al tempo solare una meridiana, se ben fatta, è precisissima.
pag. 4
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
Come detto questo errore è inevitabile, legato alle leggi fisiche che regolano il moto degli astri. È però
possibile correggerlo, in quanto l'errore è noto e può essere sommato o sottratto alla lettura dell’orologio solare.
Tale errore, quando visualizzato in forma di grafico o di tabella, viene appunto detto Equazione del
Tempo. Talvolta la tabella o il grafico vengono rappresentate sul quadrante solare stesso, in modo che
sia facile valutarne il valore ed eseguire la correzione.
La tabella seguente riporta il valore approssimato dell'Equazione del Tempo nel corso dell'anno:
1
6
11
16
21
26
gennaio
3' 29"
5' 45"
7' 51"
9' 42"
11' 16"
12' 31"
febbraio
13' 35"
14' 5"
14' 16"
14' 6"
13' 39"
12' 56"
marzo
12' 20"
11' 15"
10' 0"
8' 37"
7' 9"
5' 39"
aprile
3' 51"
2' 23"
1' 1"
- 0' 12"
- 1' 18"
- 2' 12"
maggio
- 2' 54"
- 3' 23"
- 3' 38"
- 3' 38"
- 3' 25"
- 2' 58"
giugno
- 2' 10"
- 1' 20"
- 0' 21"
0' 41"
1' 46"
2' 50"
luglio
3' 50"
4' 44"
5' 29"
6' 3"
6' 24"
6' 31"
agosto
6' 19"
5' 52"
5' 11"
4' 16"
3' 7"
1' 48"
settembre
0' 0"
- 1' 38"
- 3' 21"
- 5' 7"
- 6' 54"
- 8' 39"
ottobre
- 10' 19"
- 11' 52"
- 13' 15"
- 14' 27"
- 15' 23"
- 16' 3"
novembre
- 16' 27"
- 16' 24"
- 16' 0"
- 15' 14"
- 14' 8"
- 12' 41"
dicembre
- 10' 56"
- 8' 56"
- 6' 43"
- 4' 20"
- 1' 53"
0' 35"
Tabella 1 — Valori approssimati dell'Equazione del Tempo
(valori da aggiungere al tempo solare per ottenere il tempo medio)
Il valore indicato in tabella deve essere aggiunto al tempo indicato dall’orologio solare: dove il segno
è positivo l'orologio solare è in ritardo, dove il segno è negativo l'orologio solare è in anticipo2.
Supponendo ad esempio che l'orologio in copertina sia stato fotografato l'11 di ottobre, essendo l'EdT
in tal giorno pari a -13'15", possiamo dire che l'ora segnata è circa 9:05-13'15" ≅ 8:52 ovvero, vista
l'approssimazione nella lettura della posizione dell'ombra, circa 10 minuti alle nove.
Naturalmente correggere l'indicazione del quadrante con l'equazione del tempo è una pignoleria: gli
orologi solari dovrebbero essere usati come una volta per dare l'idea del momento della giornata, dirci
se è più o meno l'ora del pranzo o se sta per avvicinarsi il tramonto, riportandoci così a quella filosofia
della vita e dello scorrere del tempo che apparteneva al mondo contadino dei nostri antenati.
Un'ultima osservazione: alcuni orologi solari consentono direttamente la correzione dell'Equazione del
Tempo tramite una linea curva, a forma di otto, detta Analemma o Lemniscata. Di questo si parlerà
negli approfondimenti.
2
Non esiste una definizione standard della EdT, la si trova anche con il segno invertito. In tal caso il valore della EdT
deve essere sottratto anziché aggiunto al tempo indicato dall’orologio solare.
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 5
Orologi Solari
Lettura della stagione
Se le linee orarie sono indispensabili in un orologio solare allo scopo di leggervi l'ora del giorno, così
non sono le linee diurne, che indicano la stagione, e possono quindi essere presenti o meno sul quadrante (proseguendo l'analogia con un orologio classico, se l'indicazione delle ore è indispensabile,
l'indicazione della data è opzionale).
Le cosiddette linee diurne, quando presenti, misurano la declinazione solare (ovvero l’inclinazione dei
raggi solari rispetto al piano equatoriale terrestre) e quindi, essendo i mesi e le stagioni legati proprio
alla declinazione solare, segnano il momento in cui ci troviamo nell'anno.
Normalmente sul quadrante vengono indicati i segni zodiacali, anziché mesi o stagioni, essendo questi
strettamente legati a momenti astronomici precisi.
La linea più comunemente tracciata è quella degli equinozi (di primavera il 21 marzo, di autunno il 23
settembre). Si tratta di una linea retta che interseca le linee orarie; essa è orizzontale per un quadrante
esposto a sud, è inclinata a sinistra o a destra per un quadrante declinante rispettivamente a ovest ed a
est.
Le altre linee più comuni sono quelle del solstizio invernale (21 dicembre) ed estivo (21 giugno). Sono due linee curve (iperboli) che incrociano le linee orarie, la prima al di sopra e la seconda al di sotto
della linea equinoziale. Corrispondono ai momenti di minima e massima altezza del sole nel cielo.
A volte si ritrovano tracciate anche le 4 linee legate alle date di ingresso nei rimanenti 4 segni zodiacali.
Come si legge l'informazione della stagione ?
In questo caso non è più l'inclinazione dell'ombra a consentirne la lettura, quanto la sua lunghezza.
Osserviamo l'estremità dell'ombra: quando essa si trova esattamente su una delle linee descritte allora
ci troviamo in coincidenza di un solstizio o di un equinozio o della data di ingresso in un segno zodiacale; quando l'ombra si trova tra due linee dobbiamo nuovamente utilizzare il buon senso e stimare
approssimativamente il mese dell'anno o la stagione.
Attenzione, a volte non è l'estremità dell'ombra dello stilo a darci questa indicazione, ma la macchia
d'ombra creata da un rigonfiamento o nodo posto vicino alla sua estremità (come nel quadrante solare
in copertina). Più raramente questo rigonfiamento è sostituito da un disco con un foro al centro (detto
foro gnomonico): in questo caso è la macchia di luce creata dal foro che consente la lettura; inoltre in
questo caso potrebbe non esserci l'ombra dello stilo a segnalare l'ora, è il cerchio di luce che con la sua
posizione fornisce contemporaneamente indicazione dell'ora e della stagione.
Guardando ad esempio l'orologio in copertina si può dedurre che la foto è stata scattata o poco prima
dell'equinozio di primavera (quindi tra fine febbraio ed inizio marzo) o poco dopo quello d'autunno
(quindi verso la fine di ottobre).
Il mezzogiorno locale
A partire da fine 1800 (in Italia dal 1893) il mondo è diviso in 24 fusi orari, all'interno dei quali l'ora è
stata uniformata per evidenti motivi di praticità. Questo però ha comportato che il mezzogiorno, inteso
come l'istante che divide in due il giorno ed in corrispondenza del quale il sole si trova alla sua massima altezza nel cielo, resta tale solamente al centro di ogni fuso orario, mentre allontanandoci da questo verso est o verso ovest il vero mezzogiorno solare avviene rispettivamente in anticipo o in ritardo
rispetto al mezzogiorno medio del fuso (4 minuti per ogni grado di longitudine).
Ad esempio a Castellamonte (TO) questa differenza ammonta a 29m 9s e trovandosi ad ovest del meridiano di riferimento del fuso orario il mezzogiorno vero si ha alle 12:29:09 (a meno dell'errore della
Equazione del Tempo !).
pag. 6
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
Su un orologio solare verticale il mezzogiorno locale corrisponde sempre alla linea verticale che parte
dalla base dello stilo polare. A volte questa linea viene tracciata sul quadrante ed identificata con la
lettera M o con il simbolo stilizzato di una campana (vedi foto in copertina).
Il motto
Benché inutile per l'indicazione del tempo, il motto è un elemento tradizionale degli orologi solari.
A volte esprime antiche saggezze, a volte è ironico, spesso negli orologi più antichi esprime concetti
religiosi legati alla vacuità della vita ed alla certezza della morte.
Devo dire che nella mia esperienza la scelta del motto è sovente ancor più impegnativa e sofferta di
quanto lo sia il progetto.
Figura 1 — Orologio solare indicante il TMEC
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 7
Orologi Solari
COME SI LEGGONO - APPROFONDIMENTI
Ore temporali o canoniche
È un antico metodo per la misura del tempo nell'arco della giornata. Se ne trova traccia nelle sacre
scritture ("Uscì di nuovo verso l'ora terza … uscito ancora verso la sesta e la nona ora … uscito verso
l'undicesima …" - Matteo 20, 1-16).
Il giorno di luce, dall'alba al tramonto, viene suddiviso in 12 ore uguali, denominate ora prima, ora
seconda ecc.
Poiché la durata della luce non è costante durante l'anno (più lunga d'estate, più corta d'inverno, pari a
12 delle attuali ore solamente agli equinozi) si ha che la durata di un'ora canonica non è costante durante l'anno. Ciò non costituiva ovviamente un problema nell'antichità ma sarebbe inaccettabile oggi
giorno.
Restarono in uso fino al XII secolo.
Figura 2 — Ore Temporali
Ore Babilonesi e Ore Italiche
Sono ore eguali, ovvero di durata costante durante l'anno. Si misurano dividendo il giorno in 24 parti
uguali, l'ora 0 coincide con il sorgere del sole per le Ore Babilonesi, con il tramonto per le Ore Italiche.
Poiché alba e tramonto avvengono in momenti diversi nel corso dell’anno, pur essendo queste ore di
durata sempre uguale, l’inizio della giornata cambia di giorno in giorno, non c’è quindi una relazione
fissa con l’ora che usiamo oggi.
pag. 8
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
Vennero introdotte intorno al 1200 su influenza della cultura araba, nonché per il fatto che i primi orologi meccanici cominciavano ad essere costruiti ed ovviamente le ore da questi indicate erano costanti
per tutto il periodo dell'anno.
Si ritrovano ancora su antichi orologi solari, sovente contemporaneamente e sovrapposte alle linee
orarie francesi, e vengono a volte ancora utilizzate in orologi moderni.
Si riconoscono dal fatto che le linee orarie non convergono in un punto. Inoltre le linee babilonesi
(Figura 3) presentano una linea orizzontale a sinistra del quadrante (l'ora 0 dell'alba, non presente in
figura in quanto il quadrante è declinante ad ovest) e le ore successive diventano mano a mano più
verticali; le linee italiche sono speculari, presentano una linea orizzontale a destra del quadrante (l'ora
24 del tramonto) e le ore precedenti diventano mano a mano più verticali (Figura 4).
È interessante osservare che avendo a disposizione entrambe le misurazioni si può conoscere il tempo
trascorso dall'alba (ora babilonese), il tempo che manca al tramonto (24 - ora italica) e la durata del
periodo di luce (somma delle due). È evidente quanto queste informazioni potessero essere utili in un
mondo contadino.
Figura 3 — Ore Babilonesi
Ore Francesi o Moderne o Equinoziali
Introdotte tra la fine del 1700 e l'inizio del 1800, sono le ore che utilizziamo ancor oggi.
Sono ore eguali che dividono il giorno intero in 24 parti uguali, l'ora 12 coincide con il passaggio del
sole sul meridiano locale (istante di massima elevazione del sole nel cielo) e l’ora zero coincide con la
mezzanotte.
Un orologio solare ad ore francesi si riconosce per il fatto che le linee orarie convergono tutte in un
unico punto (che coincide con la base dello stilo polare o assostilo).
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 9
Orologi Solari
In Figura 5 è rappresentato un orologio con ore babilonesi, italiche e francesi oltre alle linee diurne. Si
noti che, essendo la parete declinante ad ovest, non compare l'ora 0 babilonese (cioè l'alba) mentre è
presente l'ora 24 italica (tramonto).
Si noti inoltre che sulla linea equinoziale tutte e tre le misurazioni coincidono3, essendo all'equinozio
la durata del giorno pari a 12 ore esatte.
Un’ultima osservazione : nelle figure 3, 4 e 5 sono rappresentate linee orarie o parti di linee orarie che
non verranno mai toccate dall’ombra, ad esempio le linee delle ore italiche 1, 2 e 3 che corrispondono
ad ore notturne. Forse è sbagliato tecnicamente, ma il risultato in figura 5 è secondo me più armonioso
di un grafico che venisse troncato bruscamente.
La figura 6 riassume la definizione di linee orarie temporali, babilonesi ed italiche, mettendole in relazione con le attuali ore moderne o francesi.
Figura 4 — Ore Italiche
3
Tale coincidenza si perderebbe se le linee orarie francesi fossero tracciate per il fuso di riferimento, quindi comprensive
dell’errore di longitudine: infatti le linee francesi si sposterebbero per la differenza di longitudine mentre quelle italiche e
babilonesi resterebbero invariate.
pag. 10
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
Figura 5 — Ore Babilonesi, Italiche e Francesi
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 11
Orologi Solari
Ore temporali
Ore babilonesi
Ore italiche
Figura 6 — Confronto tra ore moderne, temporali, babilonesi ed italiche durante l’anno.
pag. 12
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
Tempo Solare Vero, Tempo Solare Medio, Tempo Medio dell'Europa Centrale
L'orologio solare indica l'ora del giorno basandosi sulla posizione angolare del sole rispetto alla terra.
L'ora così indicata dall'orologio solare misura il Tempo Solare Vero: è strettamente legata alla longitudine del posto e cambia da luogo a luogo, anche all'interno di uno stesso stato (ad esempio il mezzogiorno è l'istante in cui il sole si trova sul meridiano locale, avviene quindi in due istanti diversi per
due località con longitudine diversa).
Il Tempo Solare Medio è il Tempo Solare Vero mediato sull'arco dell'anno in modo da evitare variazioni nella durata dell'ora durante l'anno.
Si è detto infatti parlando della equazione del tempo che la rotazione della terra su sé stessa non è costante, e ciò fa sì che i giorni non abbiano sempre la stessa durata. Fin dalla introduzione dei primi orologi meccanici si decise di creare un tempo medio fittizio tale che i giorni fossero tutti di uguale durata.
La misura del tempo che dipende dalla posizione longitudinale del luogo, ovvero il Tempo Solare Vero o Medio, è stata abbandonata nel 1800 (in Italia nel 1866) per passare dapprima al tempo medio
della capitale e poi al tempo medio del fuso orario (in Italia nel 1893). Quest'ultima misura del tempo
è detta, all'interno del nostro fuso, Tempo Medio dell'Europa Centrale (TMEC).
La differenza che esiste tra Tempo Solare e Tempo Medio del Fuso Orario è come detto proporzionale
alla distanza in gradi tra il meridiano locale ed il meridiano
di riferimento del fuso e vale esattamente 4 minuti per ogni
grado di longitudine.
autunno
Un orologio solare può essere progettato per indicare uno
inverno
dei due tempi:
• Tempo Solare Vero, nel qual caso l'errore rispetto al
nostro orologio è l'errore di longitudine sommato alla
equazione del tempo; in questo caso la linea del mezzogiorno è sempre sulla verticale
• Tempo Solare del Fuso, nel qual caso l'errore rispetto al
nostro orologio è unicamente l'equazione del tempo. La
linea del mezzogiorno si discosta dalla verticale di un
angolo proporzionale alla distanza dal meridiano di riferimento, ed è a sinistra per i luoghi ad ovest ed a destra
per i luoghi ad est del meridiano del fuso.
In entrambi i casi il quadrante può includere la Lemniscata: allora esso indica, almeno ad una certa ora del giorno,
anche il Tempo Medio, rispettivamente locale o del fuso
orario.
primavera
estate
Analemma o Lemniscata
Si è detto che il tempo vero (quello legato al movimento
del sole) ed il tempo medio (quello che l'uomo ha inventato per scopi pratici) si differenziano di una quantità che
varia nel corso dell'anno. Tale differenza è denominata
Equazione del Tempo.
Figura 7 — Lemniscata
Un orologio solare indica il tempo vero, quindi necessita
di una correzione per poter risalire al tempo medio.
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 13
Orologi Solari
In realtà è possibile inserire questa informazione sul quadrante solare. Anziché tracciare la linea oraria
retta corrispondente all'ora vera, si traccia punto per punto la posizione dell'ombra della punta dello
stilo sempre alla stessa ora media e nel corso dell'anno.
Si ottiene così una curva a forma di 8 che viene chiamata Analemma o, impropriamente, Lemniscata,
la quale permette di leggere sull'orologio solare il tempo medio.
Allo scopo di non appesantire eccessivamente il quadrante rendendone difficile la lettura, si usa tracciare (eventualmente) la lemniscata sulla sola linea del mezzogiorno4.
L'ombra della punta dello stilo segue durante l'anno, allo scoccare delle ore 12:00 del tempo medio,
l'andamento della lemniscata percorrendo nell'ordine (Figura 7):
• il ramo superiore sinistro (dalla linea del solstizio d’inverno a quella dell’equinozio) durante l'in-
verno
• il ramo inferiore destro (dalla linea dell’equinozio a quella del solstizio d’estate) durante la prima-
vera
• il ramo inferiore sinistro (dalla linea del solstizio d’estate a quella dell’equinozio) durante l'estate
• il ramo superiore destro (dalla linea dell’equinozio a quella del solstizio d’inverno) durante l'autun-
no.
Figura 8 — Orologio solare con lemniscata
4
Esistono però quadranti dove ogni linea oraria è sostituita dalla lemniscata. A volte sono sdoppiati, ovvero vi sono due
quadranti, ognuno con metà lemniscata: il primo per l’inverno e la primavera, il secondo per estate ed autunno.
pag. 14
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
La foto in Figura 8 mostra un esempio di orologio solare
indicante il tempo medio dell'Europa centrale con lemniscata sulla linea del mezzogiorno.
Per convincersi che l’analemma non è un’invenzione ma
è l’effetto reale di un fenomeno fisico (rotazione non costante della terra sul suo asse), si osservi la fotografia di
Figura 9. Essa è la sovrapposizione di più foto, prese sempre alla stessa ora (12:00 ora locale) in giorni diversi durante l’anno.
Essa mostra lo scostamento della posizione del sole rispetto al nostro orologio (tempo medio) e può essere considerata la fotografia della Equazione del Tempo (o il grafico della declinazione solare rispetto alla EdT).
Assostilo o Stilo Polare
Lo stilo dei moderni orologi solari è posizionato in modo
tale da essere parallelo all'asse terrestre ed è per questo
denominato assostilo o stilo polare.
Questa particolare disposizione fa sì che, nel caso delle
ore francesi, tutta l'ombra dello stilo indichi l'ora, indipendentemente dalla stagione.
Figura 9 — Analemma (per gentile concessione
dell’autore Anthony Ayiomamitis)
Ortostilo
Negli orologi solari più antichi, ed in genere in quelli che riportano ore canoniche o babilonesi o italiche, lo stilo è perpendicolare al quadrante ed è per questo denominato ortostilo.
L'inconveniente di tale disposizione, per le ore francesi, è che soltanto la punta dello stilo indica l'ora,
rendendo più difficile ed anche meno gradevole la lettura dell'orologio.
Meridiana
Nel linguaggio comune si fa riferimento ad un orologio solare con il termine Meridiana.
Ciò non è corretto, la vera Meridiana è un tipo particolare di orologio solare che segna unicamente il
mezzogiorno, normalmente quello locale (non quello del fuso). Quasi sempre sulla linea del mezzogiorno (o meridiana) sono segnati i 12 segni zodiacali e sovente è tracciata la lemniscata.
Veniva usata in passato per regolare gli orologi meccanici, scarsamente precisi.
Famose sono le meridiane a camera oscura, ovvero realizzate in un ambiente chiuso nel quale penetra
un raggio di luce attraverso un foro gnomonico, ad esempio quella della basilica di S. Petronio a Bologna.
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 15
Orologi Solari
COME FUNZIONANO
La terra come orologio solare
Come noto la terra ruota intorno al
proprio asse compiendo in 24 ore una
rotazione completa. Essa ruota inoltre
intorno al sole compiendo una rivoluzione completa in un anno (365 giorni) su un orbita leggermente ellittica
(Figura 10).
Equinozio
Solstizio
d'estate
sole
Immaginiamo di isolare dalla terra il
solo disco dell'equatore ed immaginiamo l'asse terrestre come un elemento
fisico e non solo virtuale (Figura 11).
Solstizio
d'inverno
Equinozio
I raggi del sole illuminano il disco equatoriale e l'asse terrestre forma su
questo un'ombra rettilinea.
Figura 10 — Moto di rivoluzione della terra
Mentre la terra ruota su sé stessa, l’ombra si sposta sul disco: in 24 ore la
terra compie una rotazione completa,
l'ombra percorre tutto il disco ed infine dopo 24 ore torna al punto di partenza.
ombra
dell'asse
terrestre
Immaginiamo allora di dividere il disco equatoriale in 24 spicchi uguali
ognuno di 15 gradi (Figura 12).
L'ombra dell'asse terrestre, nel corso
della giornata, percorrerà tutti e 24 gli
spicchi che abbiamo disegnato, esattamente uno spicchio ogni ora.
Figura 11 — La terra come orologio (1)
Se allora marchiamo ogni linea tracciata sul disco con la corrispondente
ora del giorno, otteniamo un orologio
solare (che funziona in questo caso
ideale per 24 ore al giorno).
L'orologio solare equatoriale o equinoziale
Immaginiamo ora di prendere il disco
descritto, con il suo asse, e di portarlo
sulla superficie della terra, mantenendo esattamente lo stesso orientamento
originale (disco parallelo all'equatore
terrestre, asse parallelo all'asse terrestre).
12
13
…
11
10
…
Figura 12 — La terra come orologio (2)
pag. 16
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
Essendo il sole a distanza infinitamente più grande rispetto alle dimensioni della terra, questo spostamento non modifica il funzionamento descritto ed il disco continua a segnare correttamente le ore.
Possiamo quindi costruire un vero disco diviso in 24 parti uguali su entrambe le facce, inserendovi un
asse perpendicolare passante per il centro, e posizionarlo in modo tale da mantenere l'orientamento
descritto (disco parallelo all'equatore, asse parallelo all'asse terrestre).
Abbiamo ottenuto la forma più semplice di orologio solare, quello detto equatoriale o equinoziale.
Occorre però ancora osservare che l'asse terrestre non è perpendicolare al piano che contiene la sua
orbita intorno al sole (piano dell’eclittica) ma è inclinato di 23˚ 26' .
Ciò fa sì che i raggi del sole durante l'anno giungano sulla terra con una angolazione variabile e, come
noto, questo fenomeno causa l’alternarsi delle stagioni.
Di conseguenza per l’orologio equatoriale succederà che:
• d'inverno i raggi del sole illuminano la parte inferiore del disco (fino all'angolo di - 23˚ 26' al solsti-
zio); il nostro orologio funziona con la faccia inferiore (Figura 13)
• agli equinozi i raggi solari giungono perpendicolari all'asse e paralleli al disco; il nostro orologio
solare non segna quindi nulla in quanto tutto il disco è in ombra (Figura 14)
• d'estate i raggi del sole illuminano la parte superiore del disco (fino all'angolo di 23˚ 26' al solsti-
zio); il nostro orologio funziona con la faccia superiore (Figura 15).
Figura 13 — Equatoriale al
solstizio invernale
Figura 14 — Equatoriale agli
equinozi
Figura 15 — Equatoriale al
solstizio estivo
I vantaggi di questo tipo di orologio sono:
• l'estrema facilità costruttiva
• la lettura dell'ora dall'alba al tramonto
Gli inconvenienti sono:
• la difficoltà di lettura dell'ora intorno all'equinozio (raggi solari paralleli al disco) e durante l'inver-
no (lettura sulla superficie inferiore)
• l'occupazione di un volume: necessita quindi di uno spazio aperto come un giardino
Come deve essere posizionato l'orologio equatoriale ? Dipende dalla latitudine φ del luogo.
In particolare, il disco è inclinato rispetto al piano orizzontale di un angolo pari a (90º - φ) e l'asse
(stilo o gnomone) di un angolo pari a φ (vedi Figura 16), orientato in direzione nord-sud.
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 17
Orologi Solari
90 - φ
φ
Figura 16 — Posizionamento orologio equatoriale
Orologio solare su superfici piane comunque orientate
Ora che abbiamo visto come funziona l'orologio equatoriale, facciamo qualche modifica al nostro modello.
Prendiamo un orologio equatoriale correttamente posizionato rispetto all'orizzontale e poniamo un
piano verticale in modo tale che intersechi il disco e l'asse (Figura 17).
L'ombra che l'asse (il nostro stilo) proietta sul disco continua evidentemente sul piano verticale fino ad
incontrare il punto di intersezione tra asse e piano verticale.
Mano a mano che il sole si sposta nel cielo l'ombra sul disco si sposta, di 15º ogni ora, e l'ombra sul
piano verticale si sposta di conseguenza.
Si noti che il piano che abbiamo tracciato non deve essere necessariamente né verticale né con la faccia rivolta esattamente a sud: è intuitivo comprendere che un qualunque piano che intersechi il disco e
l'asse riporterà un ombra rettilinea che si sposta nel tempo e che quindi può indicare l'ora del giorno (il
problema semmai è essere in grado di tracciare correttamente le linee orarie)
Si noti infine che l'ombra dello stilo sul piano passerà sempre per il punto di intersezione tra stilo e
piano.
Quello che abbiamo ottenuto è un quadrante solare piano con stilo polare e linee orarie francesi.
In base all’orientamento del piano del quadrante si possono avere le seguenti situazioni particolari :
1. piano orizzontale => orologio orizzontale
2. piano verticale => orologio verticale
3. piano perpendicolare allo stilo => orologio equinoziale
4. piano parallelo allo stilo => orologio polare
Nel capitolo seguente si vedranno le varie tecniche possibili per la costruzione.
pag. 18
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
piano comunque
orientato
90 - φ
disco equatoriale
stilo polare
φ
Figura 17 — Orologio solare su superficie piana comunque orientata
Figura 18 — Orologio solare di Cristina Marchino su superficie fortemente declinante (165° ad ovest)
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 19
Orologi Solari
COME SI COSTRUISCONO
Non pretendo qui di dare indicazioni esaurienti per il progetto di un orologio solare, esistono libri e
libri sull’argomento.
Il mio solo scopo è rispondere brevemente ed esaurientemente (se possibile) alla domanda che mi viene sempre rivolta quando si parla dell’argomento: come si fa a progettare un orologio solare ?
Pertanto cercherò di descrivere brevemente i vari metodi che si possono utilizzare per la costruzione
di un orologio su parete verticale, con particolari dettagli per quelli che più si prestano ad una migliore
comprensione del funzionamento dell’orologio, nonché i passi preliminari indispensabili per la misura
dei parametri che poi intervengono nel progetto. Si rimanda al capitolo Riferimenti per avere informazioni più esaustive.
Vorrei infine sottolineare che chiunque, anche chi non ha mai sentito parlare di meridiane, non conosce la trigonometria, non ha conoscenze anche minime di astronomia, è in grado di costruirsi la sua
meridiana, utilizzando tra i tanti metodi possibili quello a lui più congeniale.
Metodo empirico
E’ anche detto da qualcuno metodo pazienza, in quanto sono necessari mesi per la sua realizzazione.
D’altra parte chiunque è in grado di seguirlo, l’unica difficoltà può essere quella di tenere conto della
Equazione del tempo.
Scelta la parete su cui si intende realizzare il quadrante (parete non necessariamente verticale e non
necessariamente orientata a sud) si pianta nel muro uno stilo. Non è necessario che lo stilo abbia un
orientamento particolare: è preferibile che sia perpendicolare rispetto al muro, ma solamente per motivi estetici, nel caso non venga alla fine sostituito da uno stilo polare.
Le dimensioni dello stilo devono essere tali da coprire con la sua ombra la zona del muro prevista per
l’orologio. Può essere conveniente fare le prime prove intorno al solstizio d’estate (21 giugno) quando
il sole è più alto nel cielo e si ha quindi la massima lunghezza dell’ombra.
A questo punto occorre, ad ogni ora della giornata in cui il sole illumina il muro, segnare il punto preciso del muro in cui cade l’ombra della estremità dello stilo.
Attenzione: l’ora deve essere quella solare, non quella del tempo medio che segna il nostro orologio
da polso. Quindi, rifacendosi ad una tabella della Equazione del Tempo (EdT) come quella presentata
precedentemente o utilizzando appositi programmi che forniscono questo dato per qualunque giorno
dell’anno (ad esempio il programma Dialist’s Companion, vedi [14]) occorre calcolare il valore della
EdT nel giorno corrente e con tale dato correggere l’indicazione del nostro orologio5.
Ad esempio, il 26 giugno la EdT vale 2m 50s, il che significa che il sole è in ritardo di 2 minuti e 50
secondi, inoltre è in vigore l’ora legale. Questo significa che ad esempio le 12:00:00 (12 esatte) solari
avverranno alle 13:02:50 (13 ore, 2 minuti e 50 secondi), le 15:00:00 avverranno alle 16:02:50 e così
via.
Occorre quindi segnare la posizione dell’ombra alle 8:02:50, alle 9:02:50 ecc. segnando accanto l’ora
(quella solare) della misura (7, 8 ecc.).
Si otterrà una disposizione sul muro simile a quella di Figura 19.
Per alcune ore non sarà possibile segnare l’ombra, in quanto fuori dal quadrante. Ciò non ha importanza.
5
Ricordarsi inoltre dell’eventuale ora legale !
pag. 20
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
Occorre ora ripetere la stessa operazione in un
diverso momento dell’anno. Supponendo che la
prima sia stata fatta intorno al solstizio d’estate,
ripetiamo il tutto intorno al solstizio d’inverno (21
dicembre).
Aggiungendo i nuovi riferimenti sul muro, otterremo la situazione di Figura 20.
Si noti che ora alcune ore per le quali non era stato possibile segnare l’ombra sono segnate nel disegno, in quanto il sole più basso sull’orizzonte
ha fatto rientrare nel quadrante l’ombra dello stilo.
Se abbiamo fatto tutto correttamente, unendo con
una linea retta le coppie di punti corrispondenti
alle stesse ore e prolungando verso l’alto la linea,
troveremo che tutte le linee convergono nel punto
C (Figura 21).
12
11
Figura 19 — Metodo empirico – passo 1
9
10
11
12
16
14
Figura 20 — Metodo empirico – passo 2
C
9
10
11
12
13
12
11
14
13
15
16
14
15
Figura 21 — Metodo empirico – passo 3
C
Il nostro orologio solare è completo.
6
13
15
15
Per inserire inoltre la linea degli equinozi, essendo
questa sempre retta, ci è sufficiente ad uno dei due
equinozi (21 marzo o 23 settembre) segnare l’ombra in due momenti qualsiasi della giornata, abbastanza lontani tra loro, ed unire quindi i due punti
con una retta (Figura 22).
Lo stilo polare del nostro quadrante è semplicemente quello che si incastra nel muro nel punto C
e che finisce con l’altra estremità nello stesso
punto nello spazio in cui si trovava l’estremità
dello stilo provvisorio.
14
13
12
11
Abbiamo così ottenuto tutte le linee orarie del
nostro orologio solare6.
Resta da decidere se lasciare lo stilo che abbiamo
usato fino ad ora, la cui ombra segna l’ora con la
sola estremità, o se sostituirlo con uno stilo polare, che segna l’ora con tutta l’ombra, essendo
questa sovrapposta alle linee orarie.
14
15
Dato poi che tutte le linee devono incontrarsi in
C, possiamo anche tracciare le linee per quelle ore
di cui avevamo un solo punto, unendo quel punto
con C (in figura le ore 9, 10 e 16).
Se volessimo aggiungere le linee diurne, dovremmo allora eseguire le misure descritte esattamente
nelle date dei solstizi (21 giugno e 21 dicembre)
ed unire quindi tra di loro i punti ottenuti.
13
9
10
11
11
12
12
13
13
14
15
16
14
15
Figura 22 — Metodo empirico – passo 4
Se non avessimo corretto l'ora con l'EdT non avremmo ottenuto un unico punto C come intersezione tra le linee orarie.
Infatti in tal caso i punti non apparterrebbero ad una linea oraria bensì sarebbero due punti qualsiasi della lemniscata corrispondente, i quali non sono necessariamente allineati e possono quindi portare a tracciare delle linee assolutamente sbagliate.
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 21
Orologi Solari
La Figura 23 illustra forse meglio il procedimento.
C
Coordinate geografiche del luogo
Il primo dato indispensabile per il progetto di un
orologio solare (salvo che si usi il metodo empirico)
è la conoscenza delle coordinate geografiche
(latitudine e longitudine) del luogo. Tale dato influisce tanto sul posizionamento dello stilo quanto sull’orientamento delle linee.
Per avere queste indicazioni è possibile seguire varie strade:
• Consultare l’Ufficio Tecnico del Comune, è pos-
sibile che vi sappiano rispondere.
stilo
polare
stilo
provvisorio
Figura 23 — Metodo empirico – passo 5
• Consultare una mappa sufficientemente detta-
gliata della zona, ad esempio le cartine militari IGM 1:25000. Queste riportano le coordinate geografiche degli estremi del foglio, sulle quali è possibile interpolare per ottenere le coordinate del
punto desiderato.
• Utilizzare il programma Google Earth che fornisce, insieme alla visualizzazione satellitare della
zona cercata, anche le coordinate geografiche.
• Consultare un ricevitore GPS.
Qualunque sia il metodo, alla fine si avranno due angoli, normalmente espressi in gradi, primi d’arco
(sessantesima parte di un grado) e secondi d’arco (sessantesima parte di un primo).
Ad esempio Castellamonte ha coordinate 45° 22’ 57” nord e 7° 42’ 48” est7.
Declinazione della parete
Per declinazione della parete si intende l’orientamento della parete stessa rispetto al sud (Figura 24).
Questo dato deve essere misurato con particolare cura, in quanto influisce pesantemente sul progetto
(di nuovo, il metodo empirico non richiede questa informazione).
Il metodo più preciso, ma non l’unico,
ritengo sia il seguente.
parete
Si pone un filo a piombo di fronte alla
parete e si misura, su una superficie orizzontale, l'angolo che l'ombra del filo forma rispetto al muro (Figura 25). Segnare
inoltre la data e l'ora esatta della misurazione.
Confrontare quindi l’angolo alfa misurato con l’azimut solare all’istante della
misurazione (ottenibile ad esempio con
declinazione
parete
sud
perpendicolare
alla parete
Figura 24 — Declinazione della parete
7
Da notare che i secondi, ed anche i primi, variano di molto all’interno di un territorio pur piccolo come quello di Castellamonte: l’errore comunque rientra all’interno delle tolleranze che si ottengono nella costruzione dell’orologio.
pag. 22
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
il programma Dialist’s Companion,
vedi [14]) ed ottenere così lo scostamento del muro rispetto al sud, ovvero
la sua declinazione.
Il risultato è nuovamente un angolo,
questa volta con segno (positivo per
declinazione a ovest, negativo per declinazione a est).
Si supponga ad esempio di effettuare 3
misurazioni nella giornata del 19 settembre 2005 alle ore 10:27, 13:33 e
17:48 in una località posta a latitudine
45° 22' 57" nord e longitudine 7° 42'
48" est.
filo a piombo
parete
verticale
superficie
orizzontale
alfa
ombra del filo
In corrispondenza delle tre misure si
calcola l'azimut solare.
Se si utilizzano le formule matematiche occorre risalire dal Tempo Medio
dell'Europa Centrale (TMEC) al tempo
vero solare locale effettuando le seguenti operazioni:
• togliere 1 ora essendo in vigore l'o-
ra legale
• sottrarre il valore della Equazione
Figura 25 — Misura della declinazione della parete
del Tempo (in questo caso negativa,
quindi il sole è in anticipo rispetto al tempo medio)
• togliere l'errore di longitudine (la località dista 7° 17' 12" cioè 7.29° dal meridiano di riferimento,
corrispondenti a 4*7.29 = 29.16 minuti = 0:29:09 ore, questo numero deve essere sottratto in quanto la località è ad ovest del meridiano di riferimento, quindi il sole è in ritardo)
Alle 10:27 del TMEC si ha ad esempio che il tempo solare locale è pari a :
10:27:00 - 1:00:00 - (-0:06:11) - 0:29:09 = 9:04:02
In corrispondenza di questo tempo vero si calcola l'azimut solare8 che in questo caso vale –54.51°
(rispetto al meridiano locale, ovvero rispetto al sud, quindi con valori negativi per sole mattutino o
crescente e valori positivi per sole pomeridiano o decrescente).
In alternativa si può far fare tutti i conti al programma Dialist's Companion, facendo attenzione ad impostare correttamente le opzioni (latitudine, longitudine, fuso orario, ora legale, correzione longitudine), ed ottenere immediatamente il valore di azimut.
A questo punto si può calcolare la declinazione della parete come :
d = 90° – alfa + azimut
L'angolo alfa misurato alle 10:27 con il metodo descritto vale 12.5°, quindi la declinazione del muro
vale :
90° – 12.5° + (-54.51°) = 22.99°
8
Per il calcolo dell'azimut occorre sapere il valore di declinazione solare il giorno della misura, lo si può ottenere da apposite tabelle o programmi.
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 23
Orologi Solari
Effettuate alcune misure in ore e/o giorni diversi e scartati eventualmente i risultati notevolmente diversi da tutti gli altri (e quindi probabilmente affetti da errori di misura non trascurabili), si effettua la
media e si utilizza il risultato finale come declinazione della parete.
ora
declinazione
solare
azimut solare
(rispetto al sud)
alfa
d
9:04:02
1.38°
-54.51°
12.5°
22.99°
19/09/2005 13:33:00 - 0:06:14 12:10:05
1.33°
3.62°
69.3°
24.32°
19/09/2005 17:48:00 - 0:06:18 16:25:09
1.27°
73.53°
140.2°
23.33°
data
TMEC
equazione ora vera
del tempo locale
19/09/2005 10:27:00 - 0:06:11
In questo caso la media fornisce 23.55° ovvero 23° 33'.
Ancora più semplice è misurare la posizione dell’ombra all’ora del mezzogiorno vero locale (quindi
corretto con errore di longitudine ed EdT) per cui azimut=0 : la declinazione della parete si ottiene
direttamente come:
d = 90° – alfa
In alternativa a tutti questi calcoli si può utilizzare il mio programma [18] che fornisce direttamente il
risultato a partire da coordinate geografiche, data e ora della misura e angolo alfa (vedi la figura 39).
Le foto di Figura 26 mostrano lo strumento che ho costruito per effettuare la misurazione della declinazione del muro secondo il metodo descritto.
Figura 26 — Misura della declinazione
Si tratta di una squadra di legno che appoggiata al muro presenta una superficie a questo perpendicolare. Una livella a bolla mi permette di posizionarla in modo orizzontale. Ad un supporto di metallo è
appeso il filo a piombo la cui ombra si proietta su un foglio di carta su cui traccio la linea dell’ombra e
la linea del muro, da queste successivamente misuro l’angolo alfa e, con il mio programma, calcolo la
declinazione della parete.
pag. 24
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
Posizionamento dello stilo
A questo punto, avendo a disposizione tutti i dati che servono (latitudine, longitudine e declinazione) è
possibile definire la posizione dello stilo.
Definiamo anzitutto le grandezze in gioco (Figura 27).
Si definisce sustilare o substilare la proiezione ortogonale CM dello stilo sulla superficie del quadrante.
Si definisce distanza sustilare l’angolo HCM
cha la sustilare CM forma con la linea del meridiano locale CH.
altezza
sustilare
C
90 - lat
Si definisce altezza sustilare l’angolo MCR
che lo stilo CR forma rispetto alla sua proiezione CM sul quadrante.
sustilare
distanza
sustilare
Come sappiamo lo stilo polare deve essere
parallelo all’asse terrestre.
stilo polare
M
H
R
Per un muro verticale perfettamente orientato
a sud lo stilo giace su un piano verticale perpendicolare al muro (piano del meridiano locale) e forma con questo un angolo pari a 90°latitudine (vedi Figura 28).
Se il muro è differentemente orientato (cioè
declinante) verso est o verso ovest, si immagini che lo stilo resti fermo sul piano del meridiano e che il muro ruoti verso est o verso ovest. Si hanno le due situazioni di Figura 29 e Figura 30.
meridiano
locale
Figura 27 — Elementi del gnomone
L’angolo tra stilo e muro non è più quello indicato in Figura 28 e deve essere determinato in qualche
modo in base a latitudine e declinazione del
muro.
Riassumendo :
C
• per una parete esattamente esposta a sud si
ha che la sustilare coincide con il meridiano
locale, la distanza sustilare è quindi 0° e
l’altezza sustilare vale 90°-lat (Figura 28)
90° - latitudine
stilo
polare
• per una parete declinante a est o ad ovest il
punto M si trova rispettivamente a sinistra o
a destra di H (Figura 29 e Figura 30)
Un primo metodo per il posizionamento dello
stilo è ancora empirico. Non richiede la conoscenza della declinazione del muro, è semplice ma poco preciso.
Linea
verticale
Si costruisca il triangolo CHR su un pezzo di
Figura 28 — Stilo su parete non declinante
cartone o comunque di materiale sottile e rigido: l’angolo HCR vale 90°-lat, l’angolo CRH lat, l’angolo CHR 90°.
Si appoggi il lato CH del triangolo sulla verticale con il vertice C posizionato nel punto del futuro incastro dello stilo.
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 25
Orologi Solari
All’ora del mezzogiorno vero locale (ore 12:00 corrette con l’errore di longitudine e con l’Equazione
del Tempo) si ruoti il triangolo intorno a CH fino ad avere l’ombra del lato CR esattamente sulla verticale (meridiano locale). La posizione così trovata è tale che CR coincide con lo stilo polare9.
Un altro metodo è grafico, ovvero richiede di tracciare con riga e compasso delle linee sul muro in
modo da ottenere graficamente il risultato ottenuto (si veda il capitolo Metodo grafico).
Un ulteriore metodo, secondo me il più preciso, richiede di eseguire alcuni calcoli trigonometrici o,
ancor più semplicemente, utilizzare programmi di calcolo già disponibili. Si veda il capitolo Metodo
matematico.
C
parete
declinante a est
C
stilo
polare
Linea
verticale
Figura 29 — Stilo su parete declinante ad est
9
muro
declinante a
ovest
stilo
polare
Linea
verticale
Figura 30 — Stilo su parete declinante ad ovest
Questo metodo, oltre che poco preciso, è applicabile solo per pareti non troppo declinanti. Infatti più aumenta la declinazione più aumenta la lunghezza dell’assostilo e più si allontana il punto C, fino ad arrivare al caso estremo di declinazione uguale a ±90º ove l’assostilo è parallelo alla parete e sia il punto di incastro C che la linea del meridiano locale si trovano a distanza infinita.
pag. 26
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
Nota sull’installazione dello stilo
L’installazione dello stilo sulla parete è un’operazione per nulla facile. Può essere utile a tale scopo
utilizzare uno strumento simile a quello di Figura 31.
Si tratta di una tavoletta piana dotata di supporti che ne permettono il fissaggio alla parete, mantenendola perpendicolare alla parete stessa. Sulla tavoletta è poi presente un sistema per il fissaggio dello
stilo, in questo caso due sbarrette dotate di viti e bulloni.
Dopo avere tracciato la sustilare e praticato il foro per murare lo stilo, si fissa il supporto alla parete
mediante tasselli. I fori di fissaggio del supporto devono essere asolati in modo da poter fissare il supporto il più precisamente possibile sulla sustilare.
Si fissa quindi lo stilo al supporto e si misurano accuratamente tutti i parametri dello stilo (altezza sustilare, ortostilo, assostilo). Verificare inoltre la perpendicolarità della tavoletta alla parete, correggerla
se necessario spessorando opportunamente i punti di appoggio.
Quando si è sicuri della posizione si può procedere a cementare lo stilo e chiudere il foro.
Al termine dell’operazione, smontato il supporto, conviene verificare la verticale CH e, se necessario,
ritracciarla.
Figura 31 — Posizionamento e fissaggio dello stilo
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 27
Orologi Solari
Metodo con disco equatoriale
Questo metodo è di non molto facile realizzazione ma ha secondo me il vantaggio di chiarire ulteriormente il meccanismo di funzionamento dell’orologio solare, infatti viene simulato il percorso che i
raggi solari compiono nel segnare con l’ombra l’ora durante il giorno.
In Figura 17 si è visto come con un orologio solare equatoriale si possa spiegare il funzionamento di
un orologio solare su parete verticale.
Sfruttando questo concetto, una volta posizionato correttamente l'assostilo sul muro, è possibile tracciare le linee orarie e volendo anche le linee diurne senza ulteriori calcoli o complessi processi grafici.
È però necessario anzitutto costruire uno strumento come quello di Figura 32.
vite
tubo
24 settori di
15 gradi
cordino
Figura 32 — Disco equatoriale ausiliario
Si tratta ancora di un disco, la cui superficie è divisa in 24 parti di 15˚ ognuna. Al centro del disco,
anziché lo stilo perpendicolare come in un orologio equatoriale, viene posizionato un tubo perpendicolare con diametro interno sufficiente a farvi passare lo stilo che è stato fissato alla parete. Una vite
consente di fissare il tubo sullo stilo nella posizione desiderata. Inoltre al tubo deve essere fissato un
cordino che permetterà di ricavare la posizione delle linee orarie sulla parete.
Fissato correttamente l'assostilo alla parete, si infila il tubicino del disco equatoriale sullo stilo e si fissa quindi in uno dei seguenti modi:
1. Orologio che indica il tempo locale (senza correzione della longitudine - Figura 33)
Si tende il cordino in modo che resti parallelo al disco ed arrivi a toccare la linea verticale tracciata
dal punto C (che è la linea oraria del mezzogiorno locale), si ruota il disco in modo che una delle
linee tracciate sulla sua faccia coincida con il cordino e si stringe quindi la vite per fissare il disco
allo stilo. La linea coincidente con il cordino è quella delle ore 12, in successione a destra e a sinistra si hanno le ore successive e precedenti.
In alternativa (ma mi sembra meno preciso) è possibile posizionare il disco con l’aiuto di una livella in modo tale che la linea che unisce le ore 6 con le ore 18 sia orizzontale.
pag. 28
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
assostilo
parete
15
9
10
11
14
13
punto di contatto
Figura 33 — Posizionamento del disco equatoriale ausiliario (senza correzione longitudine)
2. Orologio che indica il tempo del fuso orario (con correzione della longitudine - Figura 34)
Occorre anzitutto tracciare in un settore del disco lo scostamento che deriva dalla longitudine del
luogo: calcolata la differenza in gradi tra la longitudine locale e quella del fuso orario, la si riporta
su un settore del disco come indicato in Figura 34.
Quindi si procede come al punto 1. ma in questo caso il cordino dovrà coincidere con la linea appena tracciata, mentre sul muro il cordino dovrà sempre toccare le linea verticale da C (che è ancora il mezzogiorno locale ma non quello del fuso, quest'ultimo coincide con la successiva linea da
15º).
Quando si traccia sul disco la linea corrispondente alla differenza di longitudine in gradi, per sapere se questa debba essere disposta a sinistra o a destra della linea da 15˚, si tenga presente che :
•
per una località ad ovest del meridiano di riferimento del fuso (è il caso ad esempio di Torino)
sulla parete il mezzogiorno del fuso rimane a sinistra della linea verticale (mezzogiorno locale)
•
per una località ad est del meridiano di riferimento del fuso (è il caso ad esempio di Bari) sulla
parete il mezzogiorno del fuso rimane a destra della linea verticale (mezzogiorno locale)
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 29
Orologi Solari
assostilo
parete
ore 12 per luoghi
ad est del
meridiano di
riferimento
ore 12 per luoghi
ad ovest del
meridiano di
riferimento
differenza di
longitudine per
luoghi ad ovest del
meridiano di
riferimento
differenza di
longitudine per
luoghi ad est del
meridiano di
riferimento
punto di contatto
Figura 34 — Posizionamento del disco equatoriale ausiliario (con correzione longitudine)
Ora che il disco è saldamente fissato allo stilo si procede, in entrambi i casi, a spostare il cordino di
volta in volta sulle linee a 15˚ tracciate sulla sua superficie, mantenendolo sempre parallelo ed aderente al disco, e segnando quindi sulla parete il punto di incontro cordino-muro.
Questi punti saranno quelli che, uniti al centro C, ci forniranno le linee orarie.
Nel caso 1. avremo la linea delle 12 coincidente con la verticale da C (che è il meridiano locale).
Nel caso 2. avremo il mezzogiorno a sinistra della verticale per i luoghi ad ovest del meridiano del
fuso, a destra per quelli ad est del meridiano del fuso.
In Figura 35 è indicata la situazione per una località ad ovest del meridiano del fuso (es. Torino).
In pratica quello che stiamo facendo è simulare con il cordino il percorso dei raggi solari agli equinozi
(raggi paralleli all'equatore terrestre) e cercare il punto in cui questi segnano sul muro l'ombra dello
stilo. È necessario quindi che il cordino possa ruotare intorno al tubo centrale del disco, pur mantenendo sempre lo stesso punto di ancoraggio rispetto allo stilo, in modo che, quando teso, esso tracci una
retta che passa per il centro (sempre lo stesso) dello stilo.
pag. 30
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
assostilo
parete
10
11
12
13
14
15
mezzogiorno
locale
Figura 35 — Tracciamento delle linee orarie con disco equatoriale ausiliario
Si noti inoltre che i punti tracciati sono quelli toccati agli equinozi dall'ombra del punto dello stilo a
cui abbiamo fissato il cordino, quindi se questo è il punto che ci segnalerà le stagioni abbiamo anche
ottenuto la linea diurna degli equinozi. Dovendo questa essere una linea retta, dovremmo trovarci tutti
i punti segnati sulla parete allineati su una retta.
Volendo poi tracciare anche le linee diurne dei solstizi, è necessario costruire un nuovo attrezzo, in
modo che il cordino teso possa simulare anche i raggi di sole inclinati di ± 23˚ 26' rispetto all'equatore
terrestre (e quindi rispetto al nostro disco).
In pratica si tratta ancora di un tubo da fissare sullo stilo, al quale è connesso un cordino ed un indicatore graduato che permette di inclinare il cordino rispetto al disco equatoriale della quantità di gradi
desiderata, in particolare di ±23.5° (Figura 36).
Per ogni linea oraria tracciata, si posiziona lo strumento in modo tale che il cordino, mantenuto teso e
parallelo al piano dello strumento, tocchi la linea stessa. Inclinando il cordino nelle tre posizioni indicate si ottiene l’intersezione della linea oraria con le tre linee diurne (solstiziali ed equinoziali). Il punto che indicherà sul quadrante la stagione è il punto di ancoraggio del cordino allo stilo.
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 31
Orologi Solari
È importante infine osservare che questo metodo funziona per qualunque parete piana, anche non verticale, purché lo stilo sia stato correttamente posizionato. È così possibile in modo abbastanza semplice disegnare un orologio solare su una superficie piana comunque orientata.
23.5
stilo
0
-23.5
Figura 36 — Strumento per il tracciamento delle linee diurne
pag. 32
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
Metodo grafico
Questo metodo soffre del potenziale accumulo di errori che possono facilmente essere commessi durante il lungo processo di disegnazione.
Peraltro il disegno risultante ha un fascino particolare e sarebbe degno di essere lasciato sul muro anche ad orologio terminato.
Si inizia con il calcolo del posizionamento dello stilo. Come abbiamo visto, per una parete esposta
perfettamente a sud questo si troverebbe su un piano verticale perpendicolare alla parete e formerebbe
con questa un angolo pari a 90° - latitudine. Per una parete declinante occorre invece calcolare distanza ed altezza sustilare.
Il processo consiste in pratica nel rovesciamento dei triangoli CHR e HMR di Figura 27 sul piano del
quadrante.
Si inizia (Figura 37) con una linea orizzontale AB posta al di sotto di C, centro delle linee orarie e
punto di fissaggio dell’assostilo.
C
assostilo
sustilare
phi
H
A
M
R’
B
90 - d
ortostilo
R”
Figura 37 — Ricerca grafica di distanza ed altezza sustilare
Si traccia la linea CR’ tale che l’angolo HR’C sia uguale alla latitudine φ del luogo. Il segmento CR’
corrisponde alla lunghezza dello stilo. R’ è a destra di C per declinazioni a ponente, a sinistra di C per
declinazioni a oriente.
Da H si traccia la linea HR” tale che l’angolo R”HR’ sia uguale al complemento della declinazione
del muro, cioè 90°- d.
Da H si traccia un arco di cerchio con raggio HR’ che incrocerà HR” in R”. Da R” si traccia la perpendicolare ad AB individuando così il punto M.
La retta CM è la sustilare cercata, mentre R”M corrisponde alla lunghezza dell’ortostilo.
Il triangolo gnomonico sarà quindi composto dai lati CR’ (assostilo), CM (sustilare) e RM (ortostilo).
Resta ora da tracciare le linee orarie.
Il processo assomiglia molto a quanto visto per il metodo con equatoriale, in effetti si tratta di proiettare sul piano del quadrante la equatoriale correttamente disposta e da questa derivare le linee orarie.
Questo procedimento può essere trovato nei riferimenti in appendice, in particolare [2] e [8].
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 33
Orologi Solari
Anzitutto ribaltiamo sul piano il triangolo CMR di fig. 27: dal punto M della sustilare CM trovata in
fig. 37 si traccia la perpendicolare MR’” (Figura 38) e con centro nello stesso punto M si traccia l’arco
di cerchio di raggio MR” fino ad incontrare la retta MR’” in R’”. Il triangolo CMR’” è il triangolo
CMR di fig. 27.
Si traccia quindi da R’” la perpendicolare a CR’” fino ad incontrare la sustilare CM in E; da questo
punto E si traccia la perpendicolare ST alla sustilare CM. Questa retta è la equinoziale e corrisponde
alla linea orizzontale di fig. 35.
Si deve ora ribaltare finalmente l’equatoriale sul piano del quadrante: con centro in E si traccia l’arco
di cerchio con raggio ER’” fino ad incontrare la sustilare in O. Da questo si traccia un cerchio di raggio arbitrario. Individuato sulla verticale CH il punto d di intersezione con la ST, si traccia la retta dO.
Si divide quindi la circonferenza in spicchi di 15° ognuno partendo dalla retta dO.
Prolungando i raggi così trovati fino ad intersecare la retta ST, si trovano i punti c, e, f ecc. e da questi
si tracciano le linee orarie Cc, Cd … Cm. La retta Cd corrisponde alle ore 12 locali.
Dividendo il cerchio in spicchi di 7.5° si possono tracciare le linee alle mezz’ore.
Se si vuole che l’orologio segni il tempo del fuso orario di riferimento anziché l’ora vera locale, si fa
corrispondere la retta Od, invece che a 0°, all’errore in gradi tra la località ed il meridiano di
riferimento (esattamente come in Figura 34). In tal modo tutti i raggi del cerchio ruotano di questo
valore angolare e di conseguenza si spostano i punti c, d ecc. Ovviamente in tal caso la linea Cd corrisponde ancora alle ore 12 locali ma non alle 12 del fuso di riferimento.
Per quadranti fortemente declinanti il metodo descritto non funziona (il punto C diventa molto lontano) e deve essere modificato opportunamente (vedi rif. [2]).
C
R’”
T
m
M
H
i
h
f
E
e
d
c
R”
S
O
Figura 38 — Tracciamento grafico delle linee orarie
pag. 34
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
Metodo matematico
È il metodo più preciso per il tracciamento sul quadrante delle linee che compongono l'orologio solare
ma è anche quello che meno permette la comprensione del suo funzionamento.
Applicando formule trigonometriche (vedere i rif. [2] e [13]) ed avendo a disposizione i valori di latitudine e longitudine del luogo e declinazione della parete, è possibile calcolare la posizione delle linee
orarie e delle linee diurne.
Se una volta i calcoli potevano essere lunghi e laboriosi, oggi, con un PC ed un foglio elettronico a
disposizione, diventa tutto molto più facile e veloce.
Per chi comunque non vuole o non sa applicare direttamente le formule, esistono numerosi programmi
di calcolo anche freeware (vedere rif. [18] [20] e [21]) che non solo effettuano tutti i calcoli, ma sovente offrono anche una presentazione grafica del risultato, molto utile per avere una idea preliminare
della forma che il quadrante assumerà e determinarne quindi l'ingombro sulla parete.
Sul mio sito, all’indirizzo http://digilander.libero.it/orologi.solari/download/download.html, è disponibile gratuitamente un programma che ho chiamato, con molta fantasia, orologi solari che permette il
progetto di:
•
orologi orizzontali
•
orologi verticali declinanti
•
orologi equatoriali
•
orologi polari
•
orologi analemmatici.
•
orologi proiettivi ortografici e stereografici
•
orologi monofilari
L’orologio può indicare l’ora locale o quella di un qualsiasi fuso orario.
Sul quadrante si possono tracciare le ore francesi, italiche, babilonesi e temporali, crepuscolari, eclittiche, di ascendente, di azimut e di elevazione.
E’ inoltre possibile tracciare la lemniscata sul mezzogiorno o su tutte le linee.
Contiene inoltre alcuni strumenti utili che sono raramente disponibili in altri programmi:
•
calcolo della declinazione della parete
•
calcolo della illuminazione della parete nel corso dell’anno
•
simulazione dell’ombra nel corso della giornata e durante l’anno
•
simulazione dell’ombra di tetti e balconi
•
sinulazione dell’ombra di edifici adiacenti
•
calcolo dei parametri di progetto di vecchi quadranti (reverse engineering)
Un help in linea, oltre ad un help contestuale, aiutano nella comprensione e nell’uso del programma.
Il programma di setup installa inoltre uno screen saver : dopo aver progettato il vostro orologio potete
utilizzarlo per visualizzare in tempo reale la posizione dell’ombra sul vostro quadrante (ovviamente
solo in condizioni di illuminazione, quindi con sole sopra l’orizzonte e quadrante illuminato).
Le immagini alle pagine seguenti illustrano alcune delle caratteristiche del programma.
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 35
Orologi Solari
Figura 39 — Calcolo della declinazione della parete
Figura 40 — Impostazione dei parametri dell’orologio
pag. 36
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
Figura 41 — Visualizzazione del quadrante
Figura 42 — Visualizzazione delle
dimensioni dello stilo
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 37
Orologi Solari
Figura 43 — Astrolabio orizzontale
Figura 44 — Monofilare orizzontale
pag. 38
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
Figura 45 — Calcolo delle condizioni di illuminazione
Figura 46 — Simulazione dell’ombra
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 39
Orologi Solari
Figura 47 — Simulazione di tetti e balconi
Figura 48 — Simulazione di edifici adiacenti
pag. 40
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
Figura 49 — Help in linea e help contestuale
Figura 50 — Visualizzazione dei dati di progetto
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 41
Orologi Solari
Figura 51 — Screen saver
pag. 42
digilander.libero.it/orologi.solari
Orologi Solari
RIFERIMENTI
Libri
[1] Girolamo Fantoni, “Trattato completo di Gnomonica”, Technimedia 1988
Considerato la bibbia dei gnomonisti italiani, purtroppo esaurito.
[2] René Rohr, “Meridiane”, Ulisse Edizioni 1988
L’edizione italiana è pure esaurita, ma si trova quella anglosassone:
René Rohr, “SUNDIALS History, Theory and Practice”, Dover Publications 1996
[3] Enrico del Favero, “Meridiane – Tecniche di Lettura Progettazione e Costruzione”, De Vecchi Editore 1999
Bello e pratico.
[4] Linda Perina e Renzo Zanoni, “Meridiane – Le Tecniche”, Demetra s.r.l. 1996
Ancora sulle tecniche di costruzione.
[5] Linda Perina e Renzo Zanoni, “Meridiane Antiche e Moderne”, Demetra s.r.l. 1996
Tutte immagini, da ammirare e da cui prendere spunto.
[6] Jean Meeus, Astronomical Algorithms, Willmann-Bell Inc. 1998
Le formule precise (ma non troppo semplici) per calcolare la posizione del sole, l’equazione
del tempo ecc.
Siti web
[7] “Orologi Solari” http://digilander.libero.it/orologi.solari
Istruzioni, programmi, immagini …
[8] “GNOMONICA - Meridiane e Orologi Solari - sundial” (http://www.gnomonica.it/)
Immagini, articoli, un bel dizionario di gnomonica.
[9] “Gnomonica e Arte - SOLIS ET ARTIS OPUS - Mario Arnaldi's page Meridiane, Sundials”
http://digilander.iol.it/McArdal/Gnomo-index.htm
Istruzioni, immagini.
[10] “Gruppo Astrofili Piceni Orologi solari” (http://www.insinet.it/gap/fr_orol.htm)
[11] “AS 2001 Positional Astronomy” (http://star-www.st-and.ac.uk/~fv/webnotes/index.html)
Articoli di astronomia.
[12] "Queens' College Cambridge - VirtualSundial”
(http://www.quns.cam.ac.uk/Queens/virtualdial/index.html)
Simulazione in tempo reale di un orologio solare.
[13] “The British Sundial Society Glossary” (http://www.sundialsoc.org.uk/glossary/index.html)
Un dizionario di gnomonica veramente completo (in inglese).
[14] “The North American Sundial Society - Sundials” (http://www.sundials.org/)
Qui è reperibile il "Dialist's Companion", un programma (shareware) che mostra in tempo
reale tutti parametri solari (azimut, declinazione, equazione del tempo ecc.)
[15] “Home Page UAI - SEZIONE QUADRANTI SOLARI” (http://www.uai.it/sez_gqs/
index.htm)
Il sito ufficiale dei gnomonisti italiani.
[16] HOROLOGIUM Associazione culturale non profit (http://www.meridiane.org/)
[17] SOLARIA (http://www.solariameridiane.com/911.html)
Molti link ad altri siti di gnomonica.
digilander.libero.it/orologi.solari
pag. 43
Orologi Solari
Programmi di calcolo
[18] http://digilander.libero.it/orologi.solari/download/download.html
Il programma freeware che :
•
calcola o.s. orizzontali, verticali declinanti, proiettivi, analemmatici, monofilari ed altri
•
calcola le ore francesi, italiche, babilonesi e temporali ed altre ancora
•
permette la simulazione dell’ombra in tempo reale o in qualunque istante dell’anno
•
simula l’ombra di tetti, balconi e di edifici adiacenti
•
calcola e visualizza le condizioni di illuminazione del quadrante nel corso delle stagioni
•
contiene uno screen saver che indica l’ora corrente sul quadrante che avete progettato.
[19] http://www.sundials.org/publications/dcomp/dcomp.htm
È il programma (shareware) Dialist’s Companion, scritto dal NASS (North American Sundial
Society) per la visualizzazione di tutti i parametri solari, sia in tempo reale che nella data ed
all’ora desiderata.
[20] http://www.cadrans-solaires.org
Sito francese da cui è scaricabile il diffuso programma Shadows per il calcolo di quadranti
solari piani. Il programma è freeware per i quadranti più diffusi (verticali declinanti, orizzontali, polari, equatoriali) mentre occorre comprare la licenza per altri tipi di quadrante.
[21] http://www.de-zonnewijzerkring.nl/eng/index-ber-constr.htm
Sito da cui è scaricabile il Programma freeware ZW2000 per il calcolo di quadranti solari piani.
Figura 52 — Orologio solare di Cristina Marchino su superficie fortemente declinante (110° ad est )
pag. 44
digilander.libero.it/orologi.solari
Fly UP