a cura di Giuseppe Rolfo e Nicola Scarpel 
ringraziamenti a Paolo Sirtoli e Elsa Stocco per gli utili suggerimenti

A nostro avviso, saper “leggere” le ore di notte con la semplice osservazione del cielo stellato, è un’esperienza stimolante e un’occasione per conoscere i principali movimenti della sfera celeste e del Sole.

Orologio stellare,
Orologio stellare di cartone

Orologio siderale di Theophili Bruni, 1640.
Museo Storico Navale di Venezia
(per gentile concessione)

Orologio stellare in cartone

Un orologio stellare (notturlabio o notturnale) è di facile costruzione, richiede materiali “poveri” (cartoncino, forbici, colla, riga e compasso, ecc…), abitua alla precisione, implica la comprensione pratica della relazione tra misura del tempo e misura di ampiezze e lo studio del suo funzionamento porta alla comprensione del moto annuo apparente del Sole sulla volta celeste.

Immaginiamo un grandissimo orologio in cielo, dotato di una sola grande lancetta, e che abbia per centro la stella Polare. Immaginiamo anche che la lancetta sia allineata con le due stelle Dubhe e Merak dell’Orsa Maggiore (dette anche I Puntatori) e “solidale” con esse.

Rotazione dell’Orsa maggiore e delle altre stelle attorno alla stella Polare. Tratto da Wikipedia

Osservando il cielo ad intervalli di mezz’ora nel corso della stessa notte ci si accorgerà facilmente che le due stelle, e quindi anche la lancetta immaginaria come pure tutta la regione di cielo che circonda la stella Polare, sembrano ruotare in senso antiorario attorno alla Polare (1). Questo moto apparente della sfera celeste è causato dal moto di rotazione terrestre. Le due stelle percorreranno un’intera rotazione attorno alla stella Polare in circa 24 ore.

Osservando invece le due stelle alla stessa ora ma nel corso di notti successive si nota un altro tipo di moto apparente. La posizione di Dubhe e Merak varia gradualmente nel corso dell’anno: esse si spostano in senso antiorario di circa un grado (4 minuti d’arco) al giorno. Questo piccolo “slittamento” quotidiano verso ovest è dovuto al moto della Terra attorno al Sole. E’ sempre per lo stesso motivo che il Sole sembra spostarsi di un grado al giorno nel corso dell’anno verso est rispetto allo sfondo delle stelle fisse. E dato che le nostre ore locali sono calcolate in base alla posizione del Sole e non alla posizione delle stelle, ecco svelato il fenomeno di questo piccolo “slittamento” quotidiano di Dubhe e Merak attorno alla stella Polare.

Ci sono due momenti “speciali” dell’anno che serviranno per costruire il notturnale:

  1. Alla mezzanotte locale (intendo le 24 dell’ora legale, CET nel nostro caso) del 5 marzo, le due stelle Dubhe e Merak si allineano all’incirca verticalmente al di sopra della stella Polare.
  2. Sei mesi dopo, alla mezzanotte del 7 settembre, le due stelle si troveranno al lato opposto, al di sotto della stella Polare, ma sempre allineate verticalmente.

Questi due fenomeni sono indipendenti dalla longitudine dell’osservatore. Un qualsiasi osservatore in grado di vedere L’Orsa Maggiore, da qualsiasi longitudine, vedrà questi allineamenti all’incirca (2) alla sua mezzanotte del 5 marzo e alla sua mezzanotte del 7 settembre.

Costruiamo ora un quadrante delle ore che chiameremo cerchio orario. La realizzazione è semplice: si divide il cerchio in 24 settori di 15° ciascuno e si disponiamo le 24 ore in senso antioriario.

Sappiamo che, se il cerchio orario è disposto in questo modo, la lancetta segna l’ora corretta soltanto alla mezzanotte del 5 marzo. Solo in questo momento Dubhe e Merak si posizionano in alto e il Sole esattamente dalla parte opposta. Infatti, consultando le tavole delle coordinate uranografiche si nota che ai primi di marzo l’ascensione retta delle due stelle differisce da quella del Sole di circa 12 ore.

Con il trascorrere della notte le due stelle, ruotando in senso antiorario, segneranno con la loro lancetta immaginaria le ore successive.

Però, come abbiamo detto, la posizione del Sole rispetto alle stelle cambia continuamente nel corso dell’anno. Esso si sposta rispetto alle stelle fisse di circa un grado al giorno (4 minuti circa) in senso antiorario guardando verso Sud (in senso orario guardando verso Nord). Alla mezzanotte successiva (6 marzo), Dubhe e Merak si troveranno un grado più a oriente rispetto alla verticale, e così via nelle notti seguenti. In questa prospettiva, avremo uno spostamento orario del Sole e quindi dovremo “tarare” di conseguenza lo zero del disco orario che va spostato in senso antiorario di 4 minuti per ogni giorno trascorso dalla data del 5 marzo. Per semplificare, per ogni mese trascorso da quella data il quadrante va ruotato di due ore che corrispondono a 15 gradi. Da questa osservazione deriva l’accorgimento di associare al cerchio orario un cerchio delle date che chiameremo cerchio calendario. Esso si realizza facilmente dividendo il cerchio in 12 settori di 30 gradi corrispondenti ai mesi (3). Se lo si desidera, ogni settore può essere diviso in tre parti per indicare le decine di giorni. Il cerchio calendario e il cerchio orario devono avere uno stesso perno centrale e devono poter ruotare uno rispetto all’altro.

La posizione del cerchio calendario va mantenuta fissa durante l’osservazione: la maniglia sottostante serve a indicare la direzione della verticalità che deve passare per le date del 5 marzo (in alto) e il 7 settembre (in basso).

Il cerchio orario si sovrappone al cerchio calendario e il suo indicatore delle ore zero dovrà essere posizionato sulla data attuale per indicare quale dovrebbe essere la direzione di Dubhe e Merak alle ore zero.

Se queste due stelle si trovano lontane dalla direzione delle ore zero, significa che non è mezzanotte. La distanza angolare tra la direzione delle due stelle e la direzione dell’ora zero ci indicherà l’ora di osservazione.

Ecco la necessità di introdurre uno terzo indicatore: una vera e propria lancetta, chiamata alidada che può ruotare  rispetto ai due cerchi e che presenta un bordo utile allineato con il centro dello strumento (nel caso del disegno qui a fianco, si tratta del bordo destro).

 

 

Ecco il notturnale montato: il cerchio calendario sta alla base di tutto, il cerchio orario è sovrapposto al cerchio calendario e l’alidada è al di sopra di tutto. Al centro è necessario che ci sia un foro abbastanza grande, in uno o due centimetri. Per fare in modo che le tre parti siano saldate tra loro ma libere di ruotare, consiglio di usare una sezione di tubo che assume il ruolo di perno e di “cannocchiale”.

Ecco il notturnale in azione:

  • si dispone l’indicatore delle ore zero del cerchio orario sulla data attuale del cerchio calendario;
  • il cerchio calendario è mantenuto verticale secondo l’asse indicato dalla maniglia sottostante e dalle due date del 5 marzo e 7 settembre. Dev’essere puntato in direzione della stella polare e inclinato di circa 45° verso gli occhi dell’osservatore. Detto in altre parole il piano dello strumento deve essere perpendicolare alla direzione della stella Polare.
  • Attraverso il foro centrale dello strumento si deve vedere questa stella.
  • Si ruota l’alidata in modo che il suo bordo utile sia allineato con le stelle Dubhe e Merak. Questo stesso bordo utile indicherà l’ora sul cerchio orario.

Nel caso del disegno rappresentato qui, se l’alidada è stata allineata, sono le ore 19 del 10 gennaio.

In base ad osservazioni simili a queste furono ideati gli orologi stellari detti anche notturnali. Se ne conservano a Firenze ad opera degli artiginani Della Volpaia e pare siano basati su di una stella dell’Orsa Minore. Se ne conservano a Liegi e al Museo Navale di Venezia.

  1. In realtà le stelle ruotano attorno al polo nord celeste che attualmente è situato a meno di un grado di distanza dalla stella Polare.
  2. In realtà, la posizione delle stelle dipende dall’ora media locale la quale, a sua volta, può essere determinata con precisione conoscendo la distanza in longitudine (costante di longitudine) tra la posizione dell’osservatore e il meridiano centrale del fuso. Per ogni grado di longitudine ad est rispetto al meridiano centrale si contano 4 minuti di anticipo, viceversa per le longitudini poste a ovest. Nel caso dell’Italia, ad esempio, se un osservatore si trova a Catania (15° di longitudine, cioè sul meridiano centrale) e annota l’allineamento verticale alle ore 24 circa, un osservatore di  Lecce (circa 18° di longitudine) osserverebbe l’allineamento 12 minuti prima e un osservatore di Torino (7°30′ di longitudine) annoterebbe l’allineamento addirittura 30 minuti più tardi. Si trascura volutamente la differenza tra ora civile e ora media locale perché la questione ci porterebbe troppo lontano dallo scopo di questo articolo. In ogni caso non possiamo pretendere che il notturnale proposto qui ci fornisca una lettura precisa del tempo. Altri fattori, quali le difficoltà di posizionamento a mano dello strumento e la capacità di visione notturna sono fonti errori nella lettura del tempo che superano di gran lunga l’errore dovuto alla costante di longitudine.
  3. E’ facile individuare una notevole semplificazione nella costruzione del cerchio calendario: i mesi non hanno la stessa lunghezza e l’ampiezza di un giorno è minore di un grado. L’ampiezza di un settore corrispondente ad un giorno è di 0,99° (cioè 360°/365).  Le questioni descritte in sintesi nella nota precedente dovrebbero bastare per convincerci che non ne varrebbe la pena…