Spieghiamo le vele con la scienza e la letteratura

Liceo Scientifico Copernico

Spieghiamo le vele

Con la scienza e la letteratura

Francesco Laffi

Corso matematico-informatico V C

Anno scolastico 2007/2008

Sommario

Introduzione ............................................................................................................................................... 3

Navigazione astronomica

La stella polare nell’antichità ..................................................................................................................... 4

Sistemi di coordinate ................................................................................................................................. 5

Cenni di navigazione astronomica ............................................................................................................... 8

Meteorologia

La troposfera ........................................................................................................................................... 12

Temperatura e pressione .......................................................................................................................... 12

Circolazione generale della troposfera ....................................................................................................... 13

Carta delle isobare e caratteristiche dei venti ............................................................................................. 14

Classificazioni dei venti ............................................................................................................................. 15

Giacomo Leopardi

La nautica nella letteratura ....................................................................................................................... 19

Giacomo Leopardi: breve biografia ............................................................................................................ 19

La filosofia di Leopardi: il pessimismo ........................................................................................................ 20

Lo Zibaldone ............................................................................................................................................ 21

Le Operette morali.................................................................................................................................... 22

Il Dialogo di Cristoforo Colombo e di Pietro Gutierrez .................................................................................. 23

Samuel Taylor Coleridge

Coleridge biography.................................................................................................................................. 25

Lyrical Ballads .......................................................................................................................................... 25

The Rime of The Ancient Mariner ............................................................................................................... 26

Allegato

Bibliografia e fonti

Introduzione

Uno degli aspetti più emozionanti durante la navigazione a vela è quello di solcare il mare indisturbati

affidandosi solo al vento nelle vele e alle proprie capacità.

Anche se non ho ancora avuto la possibilità di percorrere una traversata atlantica in aliseo dalle

Canarie verso i Caraibi, mantenendo la Stella Polare al traverso di dritta, con la sensazione antica di

affidarsi solo al vento e alle stelle, ho conosciuto le emozioni della navigazione in rotte più modeste.

La patente nautica da diporto, di cui sto preparando l’esame, permette di comandare navi da diporto

fino a 24 metri senza limiti dalle coste.

Frequentando i corsi in preparazione ho scoperto che la tecnica della navigazione, che avevo sempre

visto come una tecnica intuitiva, si basa in realtà sulle più disparate discipline scientifiche. Alcune di

queste sono presenti anche nel programma di V e sono quelle che svolgerò in questa trattazione: si

tratta della navigazione astronomica e della dinamica della troposfera.

Le emozioni della navigazione sono stati d’ispirazione per numerosi autori di tutte le epoche e si

riscontrano nelle numerose opere che affrontano la tematica del viaggio. In questa trattazione

analizzerò un’operetta di Giacomo Leopardi, Dialogo tra Cristoforo Colombo e Pietro Gutierrez, e una

ballata di S.T. Coleridge, The Rime of the Ancient Mariner. 3

Navigazione astronomica

Tecniche e strumenti

La stella polare nell’antichità

Fin dalla preistoria l’uomo volse lo sguardo alle stelle per orientarsi nello spazio e nel tempo,

riconoscendo in esse delle guide stabili e sicure.

Tuttavia, la tecnica e gli strumenti antichi non permettevano di ricavare dall’osservazione della volta

celeste un punto nave stimato, infatti “non esistono elementi in grado di attestare la pratica di una

vera e propria navigazione astronomica nell’antichità, cioè una navigazione condotta con strumenti

che consentissero di stabilire la posizione della nave in mare sulla base dei soli riferimenti

1

astronomici.”

Gli antichi navigatori del Mediterraneo usavano la volta celeste

come una bussola, il cui ago era la Stella Polare, che forniva loro

una direzione di riferimento fissa e facilmente individuabile. Le

costellazioni fondamentali per la ‘ricerca della Polare’ sono l’Orsa

Maggiore e l’Orsa Minore, formate da stelle circumpolari, che

quindi non scendono mai sotto la linea dell’orizzonte: “da questa

constatazione è derivata l’immagine letteraria delle Orse che

≪non si bagnano mai nell’Oceano≫, come ricordano Omero nel

passo riportato sopra (Odissea, V, 273-275) e Virgilio (Georgiche, La Stella Polare appartiene alla costellazione

2 dell’Orsa minore, ma è più facile individuarla

1, 246).” in riferimento all’Orsa Maggiore.

1 Medas S., De rebus nauticis: l’arte della navigazione nel mondo antico, p.155

2 Medas, p. 159 4

Con la definizione dei punti cardinali la Stella Polare acquista ulteriore importanza perché è quasi

coincidente con il polo settentrionale celeste, è quindi un ottimo riferimento per il nord. Se con la

successiva scoperta del campo magnetico terrestre e l’invenzione della bussola, strumento meno

preciso ma più pratico, la Stella Polare non era più l’unico riferimento, parallelamente venivano

sviluppate tecniche e strumenti che permettono una navigazione astronomica completa.

Sistemi di coordinate

L’obiettivo della navigazione astronomica è di determinare il punto nave stimato, cioè il punto in cui

l’osservatore si trova sulla superficie terrestre nel sistema di coordinate geografiche. A questo scopo è

necessario mettere in relazione l’osservazione dell’astro e le sue coordinate celesti al sistema di

coordinate terrestri.

Sistema terrestre geografico

Piano fondamentale: piano dell’equatore, cioè il piano

perpendicolare all’asse di rotazione terrestre passante per

il centro della Terra.

Poli: polo nord e polo sud, cioè i punti di intersezione tra

l’asse di rotazione terrestre e la superficie terrestre

rispettivamente nell’emisfero boreale e australe.

Reticolato geografico: paralleli, linee di intersezione tra la

superficie terrestre e piani perpendicolari all’asse di rotazione

terrestre; meridiani, semicircolo massimo di intersezione tra la

superficie terrestre e piani passanti per l’asse di rotazione terrestre.

Coordinate: latitudine (φ), misura angolare dell’arco di meridiano

compreso tra il parallelo passante per il punto e l’equatore;

longitudine (λ), misura angolare dell’arco di equatore compreso tra il

meridiano passante per il punto e il meridiano fondamentale (Greenwich). 5

Sistemi di coordinate celesti

I sistemi di coordinate celesti definiscono un punto sulla superficie della sfera celeste, cioè una sfera

cava di raggio infinito il cui centro coincide con il centro della Terra e sulla cui superficie sono

idealmente proiettati i corpi celesti.

Altazimutale

Il sistema altazimutale è relativo alla posizione

dell’osservatore.

Piano fondamentale: piano dell’orizzonte astronomico,

perpendicolare alla verticale del luogo dell’osservatore e

passante per il centro della Terra.

Poli: zenit e nadir, cioè i punti d’intersezione tra la verticale del luogo dell’osservatore e la sfera

celeste, rispettivamente nella semisfera superiore e inferiore.

Coordinate: altezza (h), misura angolare dell’arco di circolo verticale compreso tra l’astro e l’orizzonte

astronomico; azimut (az), misura angolare dell’arco di orizzonte astronomico compreso tra il circolo

verticale passante per l’astro e l’intersezione meridionale tra il piano dell’orizzonte astronomico e il

meridiano locale dell’osservatore.

Equatoriale uranografico

Il sistema uranografico equatoriale è solidale alla sfera

celeste, quindi le coordinate delle stelle rimangono δ

3

invariate.

Piano fondamentale: piano dell’equatore terrestre, δ = declinazione

l’intersezione tra questo piano e la sfera celeste è detto =

equatore celeste.

3 In realtà variano a causa della parallasse annua e della precessione degli equinozi. Il Sole si intende escluso.

6

Poli: polo nord celeste e polo sud celeste, cioè i punti di intersezione tra la sfera celeste e l’asse del

mondo (prolungamento dell’asse di rotazione terrestre).

Reticolato geografico: analogo al reticolo terrestre, paralleli celesti e meridiani celesti.

Coordinate: declinazione (δ), misura angolare dell’arco di meridiano celeste compreso tra il parallelo

celeste passante per l’astro e l’equatore; ascensione retta (α), misura angolare dell’arco di equatore

celeste compreso tra il meridiano celeste passante per il punto e il meridiano celeste fondamentale

γ,

(quello passante per il punto detto anche punto equinoziale primaverile), si misura in senso

γ.

antiorario dal punto

Equatoriale locale orario

Il sistema locale orario è solidale alla Terra, quindi le

coordinate delle stelle (tranne il Sole) variano con un

periodo equivalente ad un giorno sidereo.

Il sistema di coordinate orarie locali è simile a quello uranografico, infatti, condividono lo stesso piano

fondamentale (piano equatoriale), gli stessi poli (poli celesti) e una delle due coordinate (declinazione).

Coordinate: declinazione ed angolo orario locale (t), la misura angolare dell’arco di equatore celeste

compreso tra il meridiano celeste passante per l’astro e il meridiano superiore, o angolo orario di

Greenwich (T), la misura angolare dell’arco di equatore celeste compreso tra il meridiano celeste

passante per l’astro e la proiezione del meridiano di Greenwich sulla sfera celeste, si misura in senso

orario a partire dal meridiano di riferimento.

L’angolo orario e l’ascensione retta sono quindi legati tra loro e si può passare da un sistema all’altro

conoscendo il tempo siderale (TS), cioè la misura angolare dell’arco di equatore celeste compreso tra il

meridiano celeste fondamentale e la proiezione del meridiano di Greenwich sulla sfera celeste.

T = TS – α

Tempo siderale, ascensione retta e angolo orario si possono misurare da 0° a 360° o da 00h a 24h.

7

Cenni di navigazione astronomica

Punto sub-astrale (PSA): è il punto d’intersezione tra la

superficie terrestre e una semiretta immaginaria che ha

origine nel centro della Terra e passa per l’astro

interessato.

Distanza zenitale (Dz): è la distanza angolare sulla sfera

celeste tra l’astro e lo zenit o sulla superficie terrestre tra

la posizione dell’osservatore e il punto sub-astrale.

Per le stelle fisse o, con le dovute

correzioni, anche per gli ‘astri

erranti’ si ha che la distanza zenitale

e l’altezza altazimutale sono

complementari.

4

Cerchio d’altezza: è un luogo di posizione i cui punti si trovano

alla stessa distanza zenitale dal punto sub-astrale di un astro.

Esempio di cerchio d’altezza del Sole misurato ad un’altezza azimutale di 39° dal Mar Adriatico durante un

pomeriggio estivo. Risulta infatti una distanza zenitale di 51° (1060mg).

4 È un termine nautico analogo al luogo geometrico in matematica, infatti, un luogo di posizione è l’insieme dei

punti che rispondono a una stessa caratteristica geometrica. 8

Sestante

Strumento principe per la navigazione astronomica, è utilizzato per misurare l’angolo di elevazione di

un oggetto celeste sopra l’orizzonte, deriva dai più antichi ottante e astrolabio.

L’immagine dell’astro è riflessa dallo

specchio mobile sullo specchio fisso

che, essendo semitrasparente,

permette contemporaneamente di

vedere l’orizzonte. Attraverso il

cannocchiale quindi si riescono ad

allineare le due immagini. Questo è

possibile perché lo specchio mobile è

solidale con l’alidada (braccio):

spostando questa e regolando il

micrometro si fanno combaciare le

immagini, poi si legge il valore

dell’angolo sull’arco graduato.

Molte misurazioni si possono effettuare solo durante i crepuscoli nautici, momenti in cui sono visibili

sia l’orizzonte, che di notte non è individuabile, che gli astri, che di giorno non sono visibili.

Effemeridi nautiche

Sono pubblicazioni annuali dell’I.I.M. (Istituto Idrografico della Marina),

contengono almanacchi che forniscono l’ora siderea, il sorgere e il

tramonto del Sole e della Luna, orario di inizio e fine dei crepuscoli

nautici, l’ora del passaggio in meridiano del Sole e della Luna e

posizioni giornaliere sub-astrali di Sole, Luna, Venere, Giove, Marte,

Saturno e le 57 stelle più brillanti, in riferimento all’ora di Greenwich. 9

Calcolo del punto nave

Per ottenere un punto nave affidabile si cerca

l’intersezione fra tre o più cerchi d’altezza.

Il metodo risolutivo è il seguente:

• Ricerca nelle effemeridi degli orari del crepuscolo
• Nautico relativo al punto nave stimato attraverso
• Altri metodi di navigazione.
• Attesa del crepuscolo, misurazione delle
• Coordinate altazimutali di alcuni astri per mezzo
• Del sestante e annotazione dell’orario GMT delle
• Misurazioni.
• Ricerca, nelle effemeridi nautiche, del punto sub astrale degli astri nel momento della
• Misurazione.
• Si usano strumenti elettronici come calcolatrici/computer in grado di effettuare calcoli
• Trigonometrici oppure si usano le tavole di soluzione diretta per trovare un luogo di posizione
• Per ogni misurazione.
• Su carte nautiche di piccola scala si può
• Approssimare un arco di cerchio d’altezza
• Come un segmento, questo prende il nome di
• Retta d’altezza.
• Il punto nave è individuato nella zona
• D’incertezza, cioè il poligono formato dalle
• Rette d’altezza tracciate.

Esempio di calcolo del punto nave attraverso quattro rette

d’altezza: Polare, Vega, Arturo, Regolo.

L’incertezza sulla posizione è di circa 1-2 mg,

un’approssimazione molto buona per un punto nave. 10

Calcolo della latitudine

Un calcolo molto più semplice da effettuare è ricavare la latitudine dall’altezza altazimutale della

Polare o del Sole durante il passaggio in meridiano.

Per la Polare si consideri che il punto sub-astrale è, con una

buona approssimazione, coincidente con il polo Nord, inoltre si

può considerare che i raggi arrivino paralleli sulla superficie

terrestre; il cerchio d’altezza (identificato dalla distanza zenitale

Dz = 90°-h) di questa stella coincide con un parallelo (identificato

da lat = 90°-Dz).

Si ricava quindi che lat = h. Per il Sole bisogna considerare alcuni fattori in più: i raggi

non si possono ritenere paralleli ma va inserito un fattore

di conversione (circa 1° alle medie latitudini), il punto sub-

astrale è sull’equatore solo durante gli equinozi, negli altri

giorni si dovrà anche considerare la declinazione.

Si ricava quindi che lat = 90 – h – 1 + decl.

11

Meteorologia

Dinamica della troposfera

Prevedere lo stato e l’evoluzione del tempo meteorologico ha

sempre rappresentato una risorsa vitale per i marinai, dagli

albori della navigazione ai nostri giorni.

La troposfera

La troposfera è la zona dell’atmosfera a contatto con la superficie terrestre ed ha uno spessore che

varia tra 6 km ai poli e 18 km all’equatore. In questa zona avvengono i fenomeni meteorologici, quindi

la sua dinamica è un argomento di ampio interesse. L’aria della troposfera non è un gas uniforme, ai

fini dello studio della dinamica si considera questa zona formata da masse d’aria, cioè porzioni

dell’atmosfera le cui particelle hanno acquistato caratteristiche fisiche ben definite.

La dinamica della troposfera e i fenomeni meteorologici sono conseguenze di differenze di

temperatura, pressione e umidità tra le masse d’aria che compongono la troposfera.

Temperatura e pressione

Gli squilibri tra le masse d’aria sono dovuti alle differenze di energia emessa sotto forma di calore dalla

superficie (maggiore all’equatore, minori ai poli), in parte dipendente dalla radiazione solare assorbita.

In base alle temperature medie annue ci sono ZP

ZT

cinque zone termiche: una zona equatoriale

torrida; due zone temperate, una boreale e una ZE

australe; due zone polari, artica e antartica. ZT

La pressione dipende invece da temperatura e ZP

umidità: con l’aumento di questi due fattori si ha una diminuzione di pressione, e viceversa.

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Circolazione generale della troposfera

In base alle differenze di pressione si distinguono: