Determinare la direzione

La bussola fu inventata in Cina verso il primosecolo aC, con l'ago a forma di cucchiaiocon un manico in magnetite che puntavaverso sud, ed era usata per la geomanzia.Il primo utilizzo in mare è riportato nel 1115:era cominciata la navigazione strumentale.

Arrivò in Europa verso il 1300 e poco dopogli Italiani introdussero la Rosa dei Venti,divisa in trentadue parti, o quarte, e poi in360°. Nel 1500 venne applicata la sospen-sione cardanica e oggi la rosa è immersa inun liquido stabilizzante.

Si era notato che l'ago non puntava esat-tamente il Nord, ma si pensava che l'errorefosse immutabile. Colombo vide invece che,spostandosi verso Ponente, diminuiva finoa zero per poi aumentare in senso opposto.Aveva scoperto la declinazione magnetica,o differenza fra il Nord geografico e il Nordmagnetico, diversa in ogni luogo e che varianel tempo, oggi facilmente correggibile.

La bussola viene influenzata anche dallemasse ferrose di bordo e va compensata,sulle grandi navi si usano sfere di ferro.

Bussola a liquido compensata e modello digitale con sensore magnetico.

La misura della velocità

Una volta che conosciamo la nostra direzione con la bussola, dobbiamotener conto del cammino percorso per poter segnare la rotta sulla mappa.

Nell'antichità si tirava in mare da prua un pezzetto di legno (log), contandoa mente i secondi che impiegava per raggiungere la poppa: se la barcaè lunga 20 metri e il tempo impiegato dal log è di 20 secondi, la nostravelocità sarà di due miglia all'ora.

Questo sistema rimase in uso fino alla fine del 1500 quando si diffuse ilsolcometro a barchetta, costituito da una tavoletta di legno legata ad unsagola con un nodo ogni 15,433 metri, cioè un 1/120 di miglio.

Il calcolo veniva effettuato da due marinai posti apoppa: uno doveva lanciare la sagola e contarequanti nodi passavano fra le dita, mentre un altrocontrollava il tempo con una clessidra da 30 secondi.

Dato che 15,433 m sono 1/120 di miglio nautico e30 secondi un 1/120 di ora, il conteggio dei nodi passati tra le ditain trenta secondi corrisponde alla velocità. Per questo motivo l'unità dimisura della velocità in mare è oggi il 'nodo' e non le 'miglia all'ora'.

In seguito la distanza fra i nodi cambiò leggermente per adeguarla allanuova misura del miglio nautico, ma il solcometro a barchetta è statoutilizzato fino al 1861, quando Thomas Walker brevettò un solcometrocostituito da un'elica trainata a poppa e collegata con un contagiri. Questoapparecchio, sempre chiamato log, è ancora oggi in uso, ma il displayè digitale mentre l'elichetta invia impulsi elettrici e non più meccanici.

Esposto: solcometro ad elica Walker, modello 'Excelsior Mark IV', ca. 1900.

La misura della profondità

I primi marinai si aiutavano con lo scandaglio e le istruzioni nautiche, alloradette peripli, riportavano indicazioni sulle profondità. Erodoto scriveva:'Quando trovate 11 braccia siete a un giorno da Alessandria'.

Questo strumento è infatti indispensabile, anche il Nuovo Testamentonarra così il naufragio di Paolo: 'Gettato lo scandaglio, trovarono ventibraccia; dopo poco solo quindici. Temendo di finire contro gli scogli, siancorarono subito'.

Lo scandaglio classico è formato daun piombo di forma conica, legato adun cavo con i metri marcati da nastrinicolorati. Inferiormente ha un incavoche viene riempito di grasso, in mododa portare in superficie un campionedel fondo: conchiglie, sabbia, fango.E' ancora obbligatorio averlo a bordo.

Profondità e composizione del fondosono infatti riportate sulle mappe eoccorre conoscerle anche per poterscegliere il tipo di ancora richiesto: dasabbia, da alghe, da scoglio, ecc.

Oggi si usano gli eco-scandagli, che misurano il tempo impiegato da unimpulso sonoro a ritornare dal fondo. Le attuali mappe batometriche sonoprecisissime e con questo sistema si orientano i sommergibili. Il vecchiosogno di navigare coi 'piedi a terra' si è finalmente avverato.

Teoria dell'eco-scandaglio e display con posizione, profondità e profilo del fondo.

La latitudine e la Stella Polare

Anche registrando la rotta con il mirtologiola posizione stimata diventa imprecisa dopoun centinaio di miglia e bisogna correggerlacon una osservazione astronomica.

I primi marinai utilizzavano la Stella Polare:la sua altezza è infatti pari alla latitudine delluogo di osservazione. In realtà essa si trovaa ca 44' dal vero Polo Nord celeste e spessoera difficile approdare alle isole piccole. Sipensava che queste si spostassero e da quil'uso di chiamare terra ferma i continenti.

Verso il 9° secolo dC gli Arabi inventarono ilKamāl, un rettangolo di legno dal quale pendeuna cordicella con dei nodi, spaziati in mododa corrispondere ai gradi della latitudine divari approdi. Il capitano prendeva fra i dentiil nodo relativo alla sua meta e allineava ilKamāl con l'orizzonte: se la Stella Polare si trovava più in alto bisognavacorreggere la rotta verso Nord, se invece al di sotto verso Sud. Il Kamālè il progenitore di tutti gli strumenti nautici di misura.

Potendo conoscere solo la latitudine possiamo fare come Colombo che,salpando dalle Canarie (ca 28° Lat N) per Santo Domingo (ca 18° Lat N),si limitava a fare rotta verso Sud sino ad incrociare il 18° parallelo e quindiproseguiva per Ovest, seguendolo fino a destinazione.

Oggi, grazie ai dati dell'Almanacco Nautico, possiamo ottenere la posizioneprecisa ma la Polare, poco luminosa, è ormai utilizzata raramente.

Osservazione con la mano; Kamāl arabo; osservazione con il Kāmal classico.

Strumenti a osservazione diretta

Il Kamal funziona solo di notte, ma occorrevatrovare la latitudine anche col sole: Sappiamoche sorge ad Est e tramonta ad Ovest, a metàdella sua corsa, il mezzogiorno, sarà alla suamassima altezza della giornata, proprio soprail nostro meridiano.

In realtà questo vale solo per due giorni dell’anno: gli equinozi. Per il resto del tempo l’asseterrestre non è perpendicolare ai raggi del solema inclinato di un certo angolo: si dice allorache il sole ha una declinazione positiva (nord)o negativa (sud). Le osservazioni si correggonoconsultando le effemeridi nautiche.

Si costruirono vari strumenti, come la balestriglia, che permettevano dimisurare in gradi l'angolo osservato e per evitare di guardare direttamenteil sole alcuni funzionavano al rovescio, rilevando invece che l'astro lasua ombra.

Dal mondo arabo era arrivato l'astrolabio, un vero computer analogicoche permette di determinare la posizione con le stelle, ma era difficileutilizzarlo a bordo e i marinai ne preferivano una versione semplificatae molto meno precisa.

Il problema fu risolto nel 1624 da Edmund Gunter con il suo quadrante,che riuniva in un solo strumento anche i dati astronomici che in seguitosarebbero stati pubblicati sull'Almanacco Nautico. Nonostante il limitedell'osservazione diretta ha aperto la strada alla moderna navigazione.

Astrolabio, 1610; strumento per guardare indirettamente il sole; quadrante, 1658.

Esposto: copia del quadrante di Gunter illustrato in 'De Sectore et Radio', 1624.

Balestriglia e astrolabio semplificato.

La registrazione della rotta

Navigando con bussola e solcometrobisogna registrare ogni cambio di rottae velocità. Senza rilevare sole o stelle èl'unico sistema per trovare la posizione,anche se imprecisa in quanto può esseredifficile valutare corrente e scarroccio.

Inoltre le navi non erano in grado di virarecome oggi di prua e risalivano il ventovirando di poppa ed effettuando i bordiquadri, che complicano ulteriormente lastima del percorso effettuato

Il timoniere aveva una tavoletta, detta Mirtologio (da Marilogio = regoledel mare): vi è rappresentata la rosa dei venti con i 32 punti cardinali e ottoanelli concentrici. Ogni anello ha un foro in corrispondenza di ogni puntodella rosa. La parte inferiore ha due gruppi di 4 righe con 9 fori, cherappresentano le velocità da 1 a 9 nodi. Il Mirtologio è stato adottato intutti i paesi e ne esistono diverse varianti.

Ogni mezz'ora, durante il suo turno di 4 ore, il timoniere inserisce duecaviglie di legno, legate allo strumento per non andare perse, nel foricorrispondenti alla direzione seguita e alla velocità rilevata. Alla fine dellaguardia i dati vengono trascritti dal capitano.

Nel modello esposto possiamo leggere:

• 90 minuti in rotta per Ovest, velocità 4 nodi;• 30 minuti in rotta per Ovest - 1/4Nord Ovest, velocità 3 nodi;• 120 minuti in rotta per Nord Ovest, velocità 5 nodi.

Calcolatori di navigazione: la Gunter's Rule

Questo calcolatore analogico, inventato da Edmund Gunter nel 1622,rimase a bordo delle navi fino al 1970. Grazie alla sua scala logaritmicaesegue con rapidità moltiplicazioni, divisioni e tutti i calcoli nautici.

Si utilizza con l'ausilio di un compasso, ma ricordatevi che nei calcolatorianalogici le virgole ed i decimali vanno calcolati a mente.

Esempio: risolvere 32 x 5.

A) posizionare la punta sinistra di un compasso su 1 e la destra su 3,2;

B) mantenendo la stessa apertura, posizionare ora la punta sinistrasu 5; la punta destra indica 16: aggiungere uno zero per tener contodei decimali, il risultato esatto è infatti 160.

A B

Esempio: in quanto tempo percorreremo 140 miglia viaggiando a 12 nodi.

A) posizionare la punta destra su 60 e la sinistra su 12;

B) mantenendo la stessa apertura posizionare la punta sinistra su 1,4;la punta destra indica 7: occorreranno 70 minuti, cioè 1:10 ore.

B A

Esempio: determinare il tempo di massima percorrenza per un consumodi 20 l/h ed un serbatoio di 600 litri.

A) posizionare la punta destra su 60 e la sinistra su 20;

B) mantenendo la stessa apertura posizionare la punta sinistra su 6(60 litri); la destra indica 18: il carburante durerà 1800 minuti = 30 ore.

B A

Strumenti a riflessione: l'Ottante

Utilizzando gli antichi strumenti si dovevaosservare direttamente il sole: in questecondizioni la precisione è minima.

Nel 1730, sviluppando un idea di Newton,John Hadley brevettò l'ottante a riflessione,che usa due specchi per riflettere il raggiodi luce incidente. Con questo sistema lascala è solo il 50% dell'angolo osservato.

L'ottante misura un ottavo di circonferenza (45°) e permette osservazionifino a 90°. L'osservazione indiretta consente l'inserimento di lenti scuredavanti agli specchi evitando abbagliamenti. E' uno strumento preciso,robusto, fatto in legno con alcune parti in bronzo.

Ottante, 1732. A fianco un particolare degli specchi e il sole durante l'osservazione.

Strumenti a riflessione: il Sestante

L'ottante permette buone osservazioni di sole, la cui altezza non superai 90°, ma nel 1763 l'astronomo inglese Nevil Maskelyne pubblico il suometodo per trovare l'ora in mare osservando le altezze lunari fino a 120°.

Nasceva così il sestante, graduato ad 1/6 di circonferenza, totalmente inbronzo e dotato di un buon cannocchiale. L'ottante, più leggero e robusto,rimase in uso ancora un centinaio di anni per i capitani meno esigenti.

Sestante Ramsden, 1770, appartenuto a James Cook; Tamaya MS-833, 2010.

Il sestante è cambiato poco nel tempo. L'unica innovazione fu il micrometro,introdotto nel 1907, che facilita le letture. Prima di allora si utilizzava ilsistema 'a verniero', ereditato dall'ottante, di interpretazione poco istintiva.

29° 42' 5'' come appare nei due sistemi. Il verniero, a sinistra, è poco leggibile.

Longitudine e ora esatta

Conoscere la latitudine è facile, ma per trovarela longitudine c'erano solo sistemi astronomicicomplessi e il Parlamento Inglese promise ben20.000 sterline a chi avesse risolto il problema.

Il premio fu vinto nel 1776 da John Harrison peril suo cronometro, in grado di funzionare mesisenza errori: conoscendo l'ora di Greenwichbasta identificare con il sestante il momentoesatto in cui il sole passa sul nostro meridiano,calcolare la differenza in tempo e trasformarlain gradi. E' richiesta grande precisione: 4 secondi equivalgono a un miglio.

I cronometri nautici sono protetti da sbalzi di temperatura e vibrazioni. Lenavi ne avevano spesso tre per sicurezza. Venivano usati per regolare ilDeck Watch, un cronometro più semplice da trasportare sul ponte, comeil Bachschmid esposto a fianco, ca. 1880.

Cronometro di Harrison

Deck Watch Ulysse Nardin ecronometro Glashutte, 1930.

Il calcolo della posizione

Per calcolare la latitudine con sole o polare basta misurarne l'altezza,copiare una cifra dalle effemeridi e fare due addizioni. Per avere inveceun punto nave preciso dovremo usare una tecnica diversa.

Semplificando: se osserviamo con il sestantel'altezza di un faro, la nostra posizione saràcompresa nel cerchio corrispondente all'angolomisurato. Se osserviamo anche un secondofaro la nostra posizione sarà esattamente nelpunto di incrocio dei cerchi. Utilizzando le stellecome fari aventi la base sulla terra, possiamoservircene per trovare la nostra posizione.

Bisogna identificare in quale delle due intersezioni dei cerchi ci troviamo,va considerato che le stelle non sono fari immobili e dobbiamo inoltrecorreggere, con apposite tabelle: elevazione, rifrazione, parallasse, errorestrumentale, ecc. Questo, molto sommariamente, il modo di operare:

• calcolo dell'ora i cui sarà conveniente osservare e di un punto stimato;• preparazione del 'calepino', l'elenco delle stelle scelte per l'osservazione;• misurazione all'ora prestabilita dell'altezza strumentale degli astri;• registrazione dei tempi UTC delle osservazioni;• correzione delle altezze strumentali in altezze vere;• trovare le altezze calcolate di riferimento, con tavole a soluzione diretta

o con i logaritmi;• ottenute le altezze calcolate, determinare le differenze di altezza e di

azimut con stelle realmente osservate;• costruzione di un grafico che permetta la rilevazione delle coordinate

geografiche: non si utilizza mai la carta nautica per evitare di rovinarla.

In esposizione: effemeridi; tabelle per l'identificazione degli astri; StarFinder; grafico di tracciamento e uno dei primi calcolatori specifici, 1977.

Strumenti a riflessione: il Sestante Aeronautico

Prima del GPS gli aeroplani utilizzavano la navigazione radio assistita:una ricevente rileva dei segnali inviati da terra, come se il trasmettitorefosse un faro e il segnale un fascio di luce.

Questo sistema diventa impreciso sulle grandi distanze e nelle traversateoceaniche bisognava trovare la posizione con il sestante. In quota vediamosempre il sole, e di notte le stelle, ma non abbiamo un vero orizzonte: isestanti aeronautici hanno quindi un orizzonte artificiale inserito nell'ottica.

Si osservava da una piccola cupola trasparente, chiamata astrodome,ma quando le velocità di crociera superarono i 500 Km/h si preferirono isestanti a periscopio, molto più aerodinamici.

Sestante aeronautico RAF mod. Mk IX e la cupola per osservare, ca. 1958.

Sestante a periscopio, ca. 1968: la parte che sporge dalla carlinga è minima.

Calcolatori di navigazione: il Flight Computer E6-B

Il Flight Computer E6-B risolve tutti i calcoli di bordo e converte la giungladi misure in cui si deve districare il pilota. Sul retro si trova un grafico percorreggere l'angolo di deriva causato dal vento. E' ancora obbligatorio abordo degli aerei da turismo come strumento di backup.

L'Aristo Aviat 617, esposto insieme al modello usato da Spock, era l'unicocalcolatore di bordo sui primi 747 Jumbo ed è ancora in produzione. Il FlightComputer è anche inserito, semplificato, nei cronografi da pilota.

Il Flight Computer sul cockpit; Spock con la sua E6-B; orologio da pilota.

Esempio (in basso a sinistra): determinare il tempo di volo necessarioper coprire 240 miglia ad una velocità di 160 nodi. Come in tutti i calcolatorianalogici le virgole ed i decimali vanno calcolati a mente.

Allineare il 16 della scala esterna con Speed index: il 24 della scala esternacorrisponde al 90 della interna. Dovremo volare per 90 minuti, cioè 1:30 ore.

Esempio (in alto a destra): determinare la quantità di combustibile richiestaper un volo di 1:40 ore, sapendo che consumiamo 240 galloni/h.

Allineare il 24 della scala esterna con Speed index: il 10 (100 min = 1:40 ore)della interna corrisponde al 40 della esterna. Occorrono 400 galloni.

Navigazione elettronica: il GPS

Nel 1959 gli Stati Uniti misero in orbita i 6 satelliti del sistema Transit, ingrado di fornire la posizione ogni 90 minuti nelle principali aree del globo.

Per superare questi limiti nel 1973 venne sviluppato il progetto GPS (GlobalPositioning System), con 32 satelliti e diverse stazioni di controllo al suolo,che misura il tempo impiegato dal segnale a percorrere la distanza frasatellite e ricevitore. Posizione, altitudine, rotta e velocità sono determinatecontinuamente in ogni punto della terra.

Il GPS fu riservato al solo uso militare fino al 1991, quando il Governodegli Stati Uniti permise l'accesso ai civili. Il segnale pubblico era peròdegradato e la posizione approssimata di ca. 1000 metri. Nel 2000 laprecisione del segnale pubblico fu aumentata agli attuali ca.10-20 cm.

I primi navigatori fornivano solo pochi dati essenziali, con una approssimazionedi ca. 1 Km. Oggi invece visualizziamo la posizione precisa sulla mappa.

L'antico sogno dei naviganti si era avverato e oggi il vecchio sestante, ormaicompletamente automatico, è utilizzato solo a bordo delle sonde spaziali.

Il GPS è però fuori dal controllo degli utenti: può guastarsi senza preavviso,essere disattivato dal gestore o fornire dati falsati, anche volutamente. Unavolta si diffidava della bussola, che appariva magica ed incomprensibile,ma oggi si accetta acriticamente la posizione fornitaci dal telefonino.

Questa nuova tecnologia non si è infatti affiancata alle vecchie conoscenzema le ha cancellate. Oggi pochi sanno 'orientarsi' senza ausili elettronicie qualora il servizio venisse meno si navigherebbe con minor sicurezzadi una nave fenicia.

In esposizione: Magellan Meridian,1993, uno dei primi GPS civili in vendita.