L orientamento e la misura del tempo

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1 L orientamento e la misura del tempo Isola di Sakhalin (Unione Sovietica), 1 settembre Un volo di linea della Korean Air Lines, con a bordo 289 persone tra passeggeri e membri dell equipaggio, entra, per errore, nello spazio aereo sovietico e viene abbattuto da un caccia. Ronald Regan, Presidente degli Stati Uniti d America all epoca del fatto, annuncia al mondo che, per evitare tragedie come quella del volo coreano, il GPS il sistema di localizzazione degli oggetti sulla superficie terrestre sviluppato dagli Stati Uniti per scopi militari diverrà disponibile per usi civili non appena sarà completato. Oggi, a distanza di circa venticinque anni, il GPS è diventato uno strumento ampiamente diffuso e utilizzato in ogni parte del mondo

2 L orientamento e la misura del tempo Argomenti trattati nell unità 1. L orientamento tramite l osservazione del cielo 2. La determinazione delle coordinate geografiche 3. Le unità di misura del tempo 4. Il tempo vero, il tempo civile e i fusi orari

3 1. L orientamento tramite l osservazione del cielo Il termine «orientarsi» letteralmente significa «rivolgersi verso oriente». Noi lo usiamo con il significato di «individuare i punti cardinali sull'orizzonte di un certo luogo». Per determinare l ubicazione dei punti cardinali rispetto al luogo dove ci si trova esistono fondamentalmente due metodi: prendere come riferimento la posizione del Sole (di giorno) o quella di alcune altre stelle (di notte); utilizzare strumenti come la bussola. Per orientarsi si può prendere in considerazione l'apparente moto diurno del Sole intorno alla Terra: puntando la mano destra verso il punto dal quale il Sole sembra sorgere, cioè verso l'est, si avrà a sinistra l'ovest, in fronte il Nord e alle spalle il Sud. Questo sistema di orientamento è però approssimativo, poiché il Sole sorge esattamente ad Est e tramonta esattamente ad Ovest soltanto nei giorni degli equinozi, quando la sua apparente traiettoria annua attraversa l'equatore celeste. Negli altri giorni dell'anno il Sole appare un po spostato verso Nord durante il nostro periodo primavera-estate, verso Sud nel periodo autunno-inverno.

4 1. L orientamento tramite l osservazione del cielo L orientamento durante il dì. L'apparente escursione annua del Sole fra i due tropici è ugualmente utile ai fini dell'orientamento. Nella zona temperata del nostro emisfero, a mezzogiorno il punto di culminazione del Sole (il punto più alto sull orizzonte nel suo moto apparente giornaliero) indica il Sud e quindi consente di individuare tutti i punti cardinali; nella zona temperata dell emisfero australe alla stessa ora indica il Nord.

5 1. L orientamento tramite l osservazione del cielo L orientamento durante il dì. Questo sistema di orientamento è applicabile in tutti i giorni dell anno nelle zone temperate, mentre in quelle polari è limitato ad un periodo più o meno lungo, cioè al gran dì; nella zona torrida intertropicale la posizione del Sole può indicare tanto il Nord che il Sud, a seconda dell epoca dell anno.

6 1. L orientamento tramite l osservazione del cielo L orientamento durante il dì. Un metodo pratico per orientarsi con il Sole in ogni momento del dì consiste nel disporre un orologio in modo che la lancetta delle ore sia diretta verso la posizione del Sole: tracciando idealmente la bisettrice dell'angolo che questa lancetta forma con la direzione verso le 12,si individuerà il Sud se l'osservazione viene eseguita al mattino, il Nord se l'osservazione viene fatta di pomeriggio. Occorre, però, tenere presente che l'angolo da considerare (e di cui si traccerà la bisettrice) deve essere sempre quello che si ottiene seguendo il movimento delle lancette dell'orologio, cioè il senso orario. Questo angolo può essere, quindi, anche maggiore di 180.

7 1. L orientamento tramite l osservazione del cielo L orientamento durante la notte. Di notte, quando il Sole non è visibile, nel nostro emisfero possiamo orientarci guardando la Stella polare. Dato che essa si trova attualmente quasi in corrispondenza del Polo nord celeste, la proiezione sul piano dell'orizzonte della visuale che va dai nostri occhi alla Stella polare ci indica la direzione del Nord. Per i luoghi dell'emisfero australe la stella visibile ad occhio nudo che funge da «stella polare», indicando la posizione del Sud, è ϒ Octantis nella Costellazione dell'ottante; tuttavia spesso si preferisce far riferimento alla più appariscente e riconoscibile Costellazione della Croce del Sud, la quale però è molto più distante dal Polo sud celeste (circa 30 ).

8 1. L orientamento tramite l osservazione del cielo Il percorso del Sole nel cielo. In qualsiasi momento dell anno, quando si trova nel punto di culminazione (ore 12) il Sole indica sempre il Sud. La durata del dì (espressa dalla lunghezza dell arco alba-tramonto, arco diurno) è maggiore in estate che in inverno. Si è visto che, mediante il moto del Sole durante il giorno, si possono individuare i punti cardinali: al mattino (quando, sorgendo, esso indica l Est); a mezzodì (quando indica il Sud nel nostro emisfero e il Nord nell emisfero australe); al tramonto (quando indica l Ovest). Il percorso del Sole nel cielo alla nostra latitudine Vediamo ora come il Sole si muove apparentemente durante l anno. Agli equinozi il Sole sorge esattamente a Est e tramonta esattamente a Ovest per qualsiasi punto del globo, a qualsiasi latitudine (nel caso di una località che abbia latitudine intorno ai 40 N come accade in Italia il percorso diurno del Sole corrisponde a un arco che inizia nei pressi dell Est e termina nei pressi dell Ovest).

9 1. L orientamento tramite l osservazione del cielo Il percorso del Sole nel cielo. Dopo l equinozio di primavera nell emisfero boreale il Sole sorge un po spostato verso Nord (a Est-Nord-Est): tanto più spostato verso Nord quanto più ci si allontana dall Equatore e quanto più si è vicini al solstizio d estate; e per sei mesi il dì è più lungo della notte. Al Polo nord il Sole non tramonta mai in estate e non è mai visibile in inverno. Passato il solstizio d estate, il punto in cui sorge il Sole tende a tornare verso Est, fino a essere esattamente ad Est all equinozio d autunno. Tra l equinozio d autunno e quello di primavera il Sole sorge più a Sud (a Est-Sud-Est). Nell emisfero australe avviene l inverso. Tra l equinozio di primavera e quello d autunno il Sole sorge più a Sud e nel resto dell anno sorge più a Nord. Al Polo sud non tramonta mai durante il nostro inverno e non è mai visibile nella nostra estate. All Equatore il dì ha sempre la stessa durata della notte. Nei giorni degli equinozi, a mezzodì il Sole è allo Zenit, mentre, man mano che i giorni passano e si va verso i solstizi, nell emisfero boreale il Sole a mezzodì si trova più a Nord d estate e più a Sud d inverno (viceversa nell emisfero australe).

10 1. L orientamento tramite l osservazione del cielo L uso della bussola. I magneti, naturali o artificiali, sono corpi (in genere ricchi di ferro, nichel e cobalto) in grado di attirare particelle metalliche. Lo strumento che ci permette di orientarci anche quando non è possibile fare riferimento al Sole, o ad altre stelle, è la bussola. Essa è costituita da un ago magnetico (una barretta di ferro magnetizzato) libero di ruotare all interno di un piccolo contenitore. L ago magnetico si dispone in modo che la sua estremità colorata (a volte annerita) indichi il Nord e l estremità opposta il Sud. L ago della bussola si muove e si posiziona lungo la direzione Nord-Sud perché allo stesso modo delle graffette di ferro quando vengono attirate da una calamita esso risente del campo magnetico terrestre. In altre parole, la Terra si comporta come una gigantesca calamita che costringe l ago magnetico della bussola a posizionarsi secondo la direzione Nord-Sud magnetica. Il motivo per cui la bussola è un valido strumento per l orientamento è che il Nord magnetico corrisponde all incirca a quello geografico. La bussola consente di individuare la direzione del Nord magnetico in virtù del campo magnetico terrestre; infatti, la Terra si comporta come un grande magnete (o dipolo magnetico)

11 1. L orientamento tramite l osservazione del cielo L uso della bussola. Poiché i poli magnetici terrestri non coincidono con quelli geografici, l ago calamitato della bussola non si dispone sempre esattamente lungo il meridiano passante per il luogo. L angolo fra le due direzioni è detto declinazione magnetica. La declinazione magnetica può essere orientale oppure occidentale, a seconda che la punta dell ago magnetico devii verso Ovest o verso Est rispetto al meridiano geografico del luogo. La declinazione magnetica è nulla se il punto ricade sul meridiano passante per il polo magnetico.

12 1. L orientamento tramite l osservazione del cielo La rosa dei venti e le coordinate polari La rosa dei venti è la rappresentazione schematica dei punti cardinali Nord, Sud, Est e Ovest nonché delle direzioni da questi determinate. I nomi delle direzioni NE, SE, SO e NO derivano dal fatto che la rosa dei venti era raffigurata, nelle prime rappre-sentazioni cartografiche del Mediterraneo, al centro del Mar Ionio oppure vicino all'isola di Zante o di Malta. In quella posizione, circa a NE, vi è la Grecia, da cui deriva il nome grecale per la direzione NE-SO; a SE c è la Siria, da cui il nome scirocco per la direzione SE-NO; a SO vi è la Libia, da cui il nome libeccio per la direzione SO-NE; infine, per la direzione NO-SE il nome maestrale discende da magister, cioè la direzione da Roma o Venezia, la via maestra dal porto di origine. continua

13 1. L orientamento tramite l osservazione del cielo La rosa dei venti e le coordinate polari Le coordinate polari (azimut e distanza) consentono di determinare la posizione relativa dei luoghi posti sul piano dell orizzonte rispetto al punto in cui si trova l osservatore. Con un sistema analogo gli antichi fissavano la posizione di una stella sulla immaginaria Sfera celeste. L azimut è l angolo compreso tra la linea che congiunge l osservatore con il Polo nord (linea meridiana) e la direzione del punto che si vuole determinare (misurato in gradi e frazioni di grado), a partire da Nord e procedendo in senso orario. La distanza del punto considerato, cioè la misura lineare (in chilometri, metri, ecc.) tra l osservatore e il punto considerato.

14 2. La determinazione delle coordinate geografiche Determinazione della latitudine mediante la Stella polare L angolo che i raggi della stella formano con il piano dell orizzonte (α) è uguale alla latitudine del luogo (α ); difatti α e α sono rispettivamente complementari di β e β, e questi ultimi sono uguali fra loro perché angoli corrispondenti, formati dalle parallele CS e PS tagliati dalla trasversale CZ. Per la misura dell altezza della Stella polare sull orizzonte si può utilizzare uno strumento come il teodolite. (V. diapositiva successiva)

15 2. La determinazione delle coordinate geografiche Determinazione della latitudine mediante la Stella polare Rappresentazione schematica di un normale teodolite, strumento per la misurazione degli angoli (orizzontali e verticali), usato soprattutto per i rilevamenti geodetici e topografici. C = cannocchiale; Ca = cerchio graduato azimutale; ma = microscopio per la lettura degli angoli azimutali; Cz = cerchio graduato azimutale; mz = microscopio per la lettura degli angoli azimutali; b = bolla di livellazione per determinare la posizione orizzontale; P = piedistallo di sostegno; v = viti per livellare lo strumento Strumenti simili sono l altazimut usato in Astronomia e, in marina, il sestante.

16 2. La determinazione delle coordinate geografiche Determinazione della latitudine mediante l altezza del Sole sull orizzonte Nei giorni equinoziali i raggi solari sono paralleli al piano dell Equatore e quindi l angolo che essi formano col piano dell orizzonte (α) è complementare della latitudine del luogo (β ); difatti α è complementare di β ed inoltre β e β sono uguali, perché angoli corrispondenti formati dalle due parallele CS e PS tagliate dalla trasversale CZ. Negli altri giorni dell anno occorre tener conto della declinazione solare, variabile nelle diverse epoche dell anno.

17 2. La determinazione delle coordinate geografiche Il valore di questo angolo (ovvero la declinazione solare) deve essere aggiunto (in primavera-estate) o sottratto (in autunnoinverno) al complemento a 90 dell altezza del Sole sull orizzonte. Per conoscere la declinazione solare nei vari giorni dell anno si può ricorrere ad uno speciale diagramma, detto analemma. L analemma è un diagramma universale che mette in relazione tre variabili, espresse in unità indipendenti dal luogo: il giorno dell anno (la linea rossa); la declinazione solare o altezza del Sole rispetto all equatore celeste (asse verticale); il tempo, cioè i minuti di anticipo o di ritardo del mezzogiorno dei nostri orologi (mezzodì vero o locale) rispetto al mezzogiorno del giorno solare medio (asse orizzontale).

18 2. La determinazione delle coordinate geografiche Per ogni giorno dell anno si può leggere direttamente sull asse verticale la declinazione solare, che serve per la determinazione della latitudine mediante il Sole. Oppure, se si conosce la latitudine del luogo in cui ci si trova, si può ricavare l altezza del Sole sull orizzonte a mezzodì. Per ottenerla, nell emisfero boreale si calcola l angolo complementare della latitudine (cioè 90 latitudine) e a questo valore si aggiunge (se è a Nord) o si toglie (se è a Sud) la declinazione solare; nell emisfero australe questa operazione si esigue al contrario. Sull asse orizzontale si legge l equazione del tempo; da questa si possono anche ricavare i minuti di anticipo o di ritardo del mezzodì vero rispetto al mezzogiorno segnato dai nostri orologi: al valore che si legge direttamente in corrispondenza dei vari giorni dell anno, per ogni grado di longitudine Ovest dal meridiano centrale del fuso orario in cui si trova l osservatore si devono aggiungere 4 minuti; toglierli se la longitudine è Est.

19 2. La determinazione delle coordinate geografiche Determinazione della longitudine E' possibile calcolare la longitudine possedendo un orologio sincronizzato sull'ora di Greenwich. Ricordando infatti che il sole impiega 1 ora per percorrere 15 di longitudine è possibile tradurre differenze di tempo tra l'ora locale e l'ora di Greenwich in differenze di longitudine. Ad esempio se il nostro orologio ci informa che a Greenwich sono le 10 e 30 mentre il sole si trova in culminazione sul nostro meridiano, possiamo dedurre che il sole arriverà in culminazione a Greenwich tra un'ora e mezza. Greenwich si troverà quindi ad Ovest del nostro meridiano ad una distanza di 22 30', distanza che il sole copre appunto in un'ora e mezzo ( '). La nostra longitudine sarà pertanto 22 30' E. In generale quando l'ora locale è maggiore di quella di Greenwich il luogo si trova ad Est di Greenwich, quando è minore il luogo si trova ad Ovest. L ora locale viene determinata osservando la culminazione del Sole, cioè il suo passaggio sul meridiano del luogo. L ora del meridiano fondamentale si può conoscere per mezzo dei moderni servizi radiotelegrafici che trasmettono, più volte al giorno, i segnali orari.

20 2. La determinazione delle coordinate geografiche Determinazione precisa e rapida della posizione dei luoghi A cosa serve il GPS Il sistema GPS è stato progettato in maniera da permettere in ogni istante e in ogni luogo del nostro pianeta il posizionamento di oggetti anche in movimento. L integrazione di questo sistema con i tradizionali strumenti cartografici e con il computer di bordo, per esempio, consente agli aerei di evitare collisioni e atterrare con maggiore sicurezza anche con visibilità zero. Un ricevitore portatile GPS è grande ormai quanto un telefono cellulare e consente il lavoro di precisione di tecnici, ingegneri e geologi in zone sperdute della Terra. Oggi le apparecchiature GPS vengono comunemente montate sulle automobili per orientarsi in un viaggio o addirittura nel percorso urbano, oppure per consentire il ritrovamento dell auto in caso di furto. Il cosiddetto navigatore montato su un automobile è un segmento del Sistema di Posizionamento Globale basato sulla ricezione di segnali radio emessi da una «costellazione» di satelliti artificiali in orbita attorno alla Terra.

21 2. La determinazione delle coordinate geografiche Determinazione precisa e rapida della posizione dei luoghi Una «costellazione» di satelliti Per determinare la posizione esatta di un punto sulla Terra occorrono, in teoria, quattro satelliti di riferimento, ma anche tre sono sufficienti se si conosce perfettamente la quota (per esempio se il punto si trova sul mare) tramite un altimetro. La distanza dei satelliti si ottiene conoscendo il tempo impiegato dal radiosegnale emesso da ciascun satellite per arrivare fino a terra. Tale operazione viene eseguita confrontando un particolare codice digitale assegnato al ricevitore (a terra) con quello attribuito alla sorgente (il satellite) e misurandone il «ritardo», assumendo ovviamente che siano perfettamente sincronizzati e cioè che entrambi i codici «partano» nello stesso momento. Per questa ragione il tempo deve essere misurato con esattezza assoluta sia dal satellite, che è dotato di un orologio atomico precisissimo, sia sul ricevitore. Le orbite dei satelliti GPS sono molto alte e quindi ampiamente prevedibili; comunque, piccole variazioni vengono automaticamente corrette dal controllo generale a terra.

22 2. La determinazione delle coordinate geografiche Determinazione precisa e rapida della posizione dei luoghi Nello spazio, che cosa corrisponde alla triangolazione? Dal piano allo spazio da cerchi a sfere 1. Siamo ad una certa distanza dal primo satellite: su una sfera 2. Siamo sul cerchio dove si intersecano la sfera del primo e del secondo satellite 3. Siamo in uno dei due punti dove il cerchio si interseca con la sfera del terzo satellite 4. Non possiamo che essere nel punto sulla Terra!

23 2. La determinazione delle coordinate geografiche Determinazione precisa e rapida della posizione dei luoghi Il sistema GPS, nato negli anni novanta per scopi militari, è tuttora gestito dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti d America, e per questo gli usi civili sono limitati: per esempio, non funziona per oggetti che volano a più di 18 km di altitudine o a più di 515 metri/secondo, per evitare che venga montato su missili. Anche l Unione Europea sta realizzando una sua rete di satelliti, il Sistema di posizionamento Galileo, che disporrà di 30 satelliti e la cui entrata in servizio è prevista per il Diversamente dal GPS statunitense, che è stato addirittura bloccato in tempi di guerra, il servizio europeo sarà disponibile senza limitazioni di accuratezza per tutti gli scopi. Galileo avrà un ruolo strategico per i suoi usi, sia civili, sia militari, permettendo all Europa di essere autonoma dal GPS.

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