Come funzionano

La terra come orologio solare

L'orologio solare equatoriale o equinoziale

Orologio solare su superfici piane comunque orientate

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).

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).

I raggi del sole illuminano il disco equatoriale e l'asse terrestre forma su questo un'ombra rettilinea.

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.

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.

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).

Figura 10 — Moto di rivoluzione della terra

Figura 11 — La terra come orologio (1)

Figura 12 — La terra come orologio (2)

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).

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 solstizio); 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 solstizio); 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'inverno (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.

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.

Figura 17 — Orologio solare su superficie piana comunque orientata

Figura 18 — Orologio solare su superficie fortemente declinante (165° ad ovest) 

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aggiornato il venerdì 06 marzo 2015