Introduzione agli OROLOGI SOLARI

OROLOGI SOLARI

Antonio Santorsola

Associazione Amici dell’Astronomia “N. Copernico”, Casamassima(BA)

Gli orologi solari per molti secoli sono stati gli unici dispositivi in grado di segnare il tempo.

Solo intorno al 1200 sono stati introdotti degli orologi meccanici, ma per molto tempo questi non hanno avuto l'affidabilità e la precisione degli orologi solari.

Ce ne sono ancora molti in giro per le piazze d’Italia e del mondo e c’è ancora chi li progetta erigendo interessanti figure pittoriche o monumentali.

Per la costruzione di questi strumenti, i nostri predecessori ebbero la necessità di approfondire le conoscenze sui movimenti periodici del Sole e della Terra. Gli studi astronomici in passato erano una necessità più che una mera indagine scientifica.

L’orologio solare è generalmente costituito dal quadrante, piano su cui sono disegnate le linee orarie, e dallo gnomone, elemento che proietta le ombre sulla superficie del quadrante.

L’ombra dell'estremità dello gnomone, che idealmente rappresenta un punto, cambia posizione  con il passare delle ore ed il percorso che traccia giornalemente è detta linea oraria. La posizione del quadrante e di conseguenza la forma che le linee orarie assumono dipendono da vari fattori quali la latitudine, la data, il tipo di superficie e l’orientamento del quadrante.

Spesso gli orologi solari vengono indicati con il termine meridiana, la meridiana, in realtà, è più propriamente rappresentata da qualsiasi strumento in grado di tracciare il passaggio del sole a sud. L'orologio solare dunque è più che una meridiana.

Eccone alcuni semplici esempi.

OROLOGIO SOLARE EQUATORIALE

Il piano delle linee orarie è rivolto a Nord perpendicolarmente all'asse terrestre e quindi parallelo all'equatore celeste; di qui il nome equatoriale.

Il quadrante viene sistemato su un piano inclinato rispetto al piano orizzontale di un angolo pari alla colatitudine del luogo in cui è posto. La direzione dello gnomone è parallela all'asse terrestre.

Le linee orarie sono disegnate a forma di raggiera con un angolo di 15° per ogni ora (Fig. 1), mentre lo gnomone viene posto nel punto d’incontro delle linee orarie ed allineato con l’asse terrestre.

Questo strumento può essere utilizzato a tutte le latitudini ma è importante posizionare il quadrante nel modo corretto (stazionamento).

Un grosso limite di questo strumento deriva dal cambiamento della posizione del Sole (declinazione) rispetto all’equatore celeste; questo fa si che nel semestre estivo sia illuminata la faccia superiore del quadante (quella rivolta verso la stella polare nell’emisfero boreale) mentre in quello invernale l'ombra dello gnomone si proietta sulla faccia inferiore.

OROLOGIO SOLARE POLARE

In questo orologio il quadrante delle linee orarie è esposto a sud e forma con il piano orizzontale un angolo uguale alla latitudine del luogo. Lo strumento è detto polare perché il piano delle line orarie passa per il polo celeste mentre lo gnomone è perpendicolare all'asse terrestre e giace sull'equatore celeste puntando a sud.

Man mano che il sole si sposta da est verso sud, l’ombra dello gnomone si accorcia fino ad annullarsi a mezzoggiorno (nei giorni di equinozio) per poi riprendere ad allungarsi col trascorrere delle ore fino al tramonto.

Le ore sono indicate da line verticali spaziati in maniera non uniforme; la diversa spaziatura tra linee successive dipende dall’ora e dalla lunghezza dello gnomone. Si noti che le linee orarie (fig. 2) terminano in alto e in basso su due curve che rappresentono il percorso (linea oraria) dell’ombra proiettata dallo gnomene nei solstizi d’estate e d’inverno; mentre la linea centrale orizzontale ne rappresenta il prercorso nei giorni dell'equinozio. In effetti, in base al periodo dell’anno l’ombra si sposta in alto e in basso ma il suo spostamento orizzontale è determinato esclusivamente dall’ora solare.

In definitiva con questo orologio sarebbe possibile determinare non solo l’ora ma anche la data.

Lo gnomone può essere uno stilo piantato al centro della linea di mezzogiorno oppure una striscia rettangolare posta sulla stessa; in quest’ultimo caso però non sarebbe possibile determinare la data.

  

OROLOGIO SOLARE PER ALTEZZA

È possibile determinare l’ora anche tenendo conto dell’altezza del Sole rispetto all’orizzonte. Il piano delle linee orarie è verticale e sempre orientato verso il sole. Per la determinazione dell’ora (Fig. 3) è indispensabile la conoscenza della data. In realtà raramente i quadranti sono piani, spesso questo tipo d’orologio assume una forma cilindrica convessa; per utilizzarlo è sufficiente tenerlo in maniera verticale con lo gnomone puntato verso il sole. La caratteristica peculiare di questo orologio è che può essere realizzato come strumento portatile. È bene tener presente però che le linee orarie sono disegnate per un'unica latitudine ed inoltre c’e ambiguità di lettura tra ore antimeridiane e ore pomeridiane.

OROLOGIO SOLARE AZIMUTALE

Molto diffusi sono gli orologi che si basano sulle variazioni dell’angolo azimutale del sole durante l’arco di una giornata.

Normalmente presentano un quadrante verticale oppure orizzontale; spesso i quadranti verticali sono anche declinanti ,cioè il piano su cui giace il quadrante non è esposto esattamente verso sud ma è inclinato o verso est o verso ovest. Si è soliti definire azimut della parete la misura dell’angolo compreso fra due rette situate nel piano dell’orizzonte: la retta Nord – Sud (o meridiana) e la retta data dall’intersezione del piano dell’orologio col piano dell’orizzonte.

Nei quadranti verticali (declinanti e non) si usano in genere due tipi di gnomone: uno è lo gnomone perpendicolare al piano del quadrante (segmento AB in figura) il quale indica l’ora con la punta dell’ombra; l’altro è lo gnomone parallelo all’asse terrestre ossia direzionato verso la stella polare. Questo gnomone è inclinato rispetto al piano dell’orizzonte di un angolo pari alla latitudine del luogo e rispetto al piano del quadrante di un angolo pari alla colatitudine; infatti, nell’amisfero boreale la latitudine corrisponde all’altezza della stella polare sull’orizzonte. Solitamente lo gnomone che punta verso il polo celeste è denominato gnomone obliquo. Lo gnomone obliquo (segmento AC in figura) indica l’ora con tutta la sua ombra, perciò nell’arco di una giornata tale ombra si muove descrivendo una raggiera imperniata nel punto C. L’estremità dell’ombra dello gnomone (sia perpendicolare che obliquo) arriva al punto D solo nel mezzodì del solstizio invernale in cui la declinazione del sole è di -23,5° ; arriva al punto E nei due equinozi in cui la declinazione del Sole è 0° e arriva al punto F nel solstizio estivo in cui la declinazione del sole è di +23,5°; in tutte le altre date l'ombra arriva in punti compresi tra D e F. Ipunti D, E, F, relativi alla stessa ora sono allineati ; dal punto C (punto radiale) parte una raggiera di rette, una per ogni ora o frazione di ora , che rappresentano appunto le linee orarie.

Le curve descritte dall’ombra dello gnomone nei giorni del solstizio, dall’alba al tramonto, vengono denominate iperboli di declinazione estive ed invernali. La linea equinoziale, invece, è descritta dall’ombra dello gnomone nei giorni degli equinozi; essa è orizzontale nei quadranti verticali non declinanti, mentre è inclinata in qulli declinanti. L’iperbole di declinazione invernale ha la concavità rivolta verso l’alto ed è situata superiormente rispetto alla linea equinoziale; l’iperbole di declinazione estiva ha la concavità verso il basso ed è situata inferiormente. Chiaramente, ad ogni declinazione del Sole corrisponde una diversa curva descritta dall’ombra dello gnomone.

TEMPO SOLARE VERO E TEMPO SOLARE MEDIO

Il Sole col suo moto apparente nel cielo descrive, dall’alba al tramonto, un arco: quando passa nel punto più alto si dice è che alla culminazione oppure che è sul meridiano locale (arco di cerchio che partendo dal polo Nord e arrivando al polo Sud passa sulla verticale del luogo). L’istante in cui il Sole è sul maridiano locale non corrisponde quasi mai con le ore 12.00 del Tempo Civile datoci dai nostri orologi da ploso. Questa discordanza è dovuta a due motivi fondamentali: il primo è che il Tempo Civile è regolato col fuso del tempo medio dell’Europa Centrale (in Italia); è quindi generalizzato per l’intero territorio nazionale ignorando così la longitudine del luogo. Il secondo fattore è dovuto essenzialmente all’eccentricità dell’orbita terrestre che provoca variazioni di velocità orbitale del nostro pianeta. Questo determina anticipi o ritardi del transito del sole sul meridiano nel corso dell’anno. Il giorno solare, quindi, non ha una durata costante nel corso dell’anno (Tempo Solare Vero).

Per questo motivo si introduce il Tempo Solare Medio, ossia il tempo scandito da un Sole “fittizio” che si muove lungo l’eclittica con moto uniforme tutto l’anno. Così facendo, infatti, se misurassimo la durata del giorno con un normale orologio riscontreremmo che questa misura è costante durante tutto l'anno e che coincide con il valore medio della durata del giorno solare vero.

La differenza tra il Tempo Solare Vero e il Tempo Solare Medio è chiamata equazione del tempo e si rappresenta con un grafico a forma di sinusoide (analemma) che reca in ascissa i mesi dell’anno, mentre in ordinata la differenza in minuti fra l’ora indicata dal quadrante solare (Tempo Solare Vero) e quella di un normale orologio (Tempo Solare Medio). L’equazione del tempo si rappresenta anche con una curva chiusa a forma di otto (lemniscata) la quale riporta in ascissa la correzione da apportare al Tempo Solare Vero per ottenere il Tempo Solare Medio e in ordinata la declinazione del sole; i mesi sono riportati lungo la curva.

Naturalmente tutti i quadranti ci forniscono il Tempo Solare Vero, e in molti di essi è disegnata la lemniscata in modo da calcolare facilmente il Tempo Solare Medio. Nei peridi dell’anno in cui è in vigore l’ora legale è necessario apportare un’ulteriore correzione aggiuggendo un ora in più a quella indicata dai quadranti solari.

Si gli attuali che gli antichi costruttori di orologi solari e meridiane hanno la possibilità di dilettarsi nell'inventare particolari forme di quadranti tracciati su superfici non piane. I fondamenti delle svariate tecniche di costruzioni sono sempre gli stessi: equatore celeste, asse terrestre, latitudine, declinazione del sole.

Antonio Santorsola.