Cronometri, orologi atomici e posizionamento satellitare

Come abbiamo già scoperto, la velocità di una nave e la latitudine possono essere determinate con strumenti che però hanno bisogno di misurare contemporaneamente il tempo in cui si effettuano i rilievi. Adesso vedremo che la determinazione dell’ora è fondamentale anche per completare il posizionamento in mare tramite la longitudine.

Nel 1530, lo scienziato olandese Rainer Gemma Frisius aveva indicato il modo per risolvere il problema della determinazione della longitudine. Se una nave avesse potuto determinare l’ora di un meridiano di riferimento (ad esempio quello del porto di partenza o quello dell’osservatorio di Greenwich, come avverrà dall’800 in poi) con un orologio di precisione a bordo e l’ora locale, con il rilevamento astronomico, avrebbe stabilito con facili calcoli la longitudine. Infatti, sapendo che un punto sulla superficie terrestre compie un angolo di 360° durante la rotazione terrestre in un periodo di tempo pari a 24h, si può calcolare che, andando verso est od ovest, una discrepanza di un’ora tra le due posizioni del meridiano di riferimento e della nave indica uno spostamento in longitudine di 15°(= 360°/24h) e di 900 miglia marine (= 15° * 60 miglia marine).

Inizialmente, i marinai utilizzavano le clessidre per misurare il tempo, come abbiamo visto in abbinamento al solcometro, ma la loro misura del tempo lasciava ovviamente molto a desiderare. Dato che l’errore anche di un solo minuto al giorno significava un miglio marino fuori rotta, fu chiaro il ritardo giornaliero accumulato nel viaggio della durata di diverse settimane sarebbe stato potenzialmente letale. Serviva uno strumento di alta precisione che perdesse meno di 3 secondi al giorno: un cronometro marino, che letteralmente in greco significa “misuratore del tempo”. Christian Huygens e Robert Hooke nella seconda metà del’600 avevano introdotto il pendolo e il bilanciere a molla negli orologi, migliorandone la precisione. Ma quello che funzionava sulla terraferma non aveva la stessa efficienza in mare. Gli ingranaggi di un orologio dovevano sopportare variazioni di temperatura e umidità, la salsedine e il movimento su una nave in tempesta, mantenendo la dovuta precisione.

Nel ‘700 John Harrison vinse di fatto questa sfida tecnologica come ha descritto magistralmente Dava Sobel in “Longitudine. Come un genio solitario cambiò la storia della navigazione” (Rizzoli, 2017). Egli costruì 4 originali e diversi cronometri marini (H1, H2, H3, H4), che attualmente sono esposti presso il National Maritime Museum di Greenwich insieme all’H5 e al K1 (Kendall 1), entrambe copie dell’H4, eseguite da Harrison stesso e da Larcum Kendall, un orologiaio londinese. Harrison si dedicò a questa impresa per tutta la vita, introducendo molteplici accorgimenti tecnici innovativi che permisero di superare gli ostacoli al funzionamento in mare di un normale orologio. Lo scopo era vincere il Longitude prize, un premio in denaro di 20.000 sterline che l’Inghilterra aveva stanziato nel 1714 con il Longitude Act per chi avesse risolto il problema della determinazione della longitudine. Questo probabilmente rappresenta il primo finanziamento per la ricerca scientifica della storia e, allo stesso tempo, la vicenda di Harrison rappresenta l’ennesimo caso di mancato riconoscimento dei meriti scientifici di un uomo straordinario. La Commissione per la Longitudine, che doveva attribuire il premio, gli riconobbe solo metà del merito, e quindi metà della somma prevista. In realtà, Harrison era riuscito nell’impresa, ma il suo orologio era molto costoso e difficilmente riproducibile per la difficile realizzazione. Quindi, di scarsa utilità per le mire espansionistiche dell’Inghilterra che possedeva una flotta considerevole da equipaggiare con i cronometri.

Altri seguirono l’esempio di Harrison qualche anno più tardi. Il francese Pierre Le Roy e gli inglesi Thomas Earnshaw e John Arnold gettarono le basi per lo sviluppo su scala industriale del cronometro da marina. Questo era quello a cui mirava il Longitude Act: una produzione in serie di strumenti affidabili, in grado di perfezionare l’arte della navigazione e di rendere sicure le vie degli oceani.

Successivamente il quarzo ha permesso la costruzione di cronometri da marina incredibilmente precisi e attualmente i satelliti geostazionari permettono di stabilire la posizione di una nave con un errore di pochi metri, superando così le difficoltà del rilevamento ottico, e montando a bordo orologi atomici. Questi congegni, che con la loro tolleranza inferiore a un secondo ogni 1000 anni, hanno raggiunto prestazioni straordinarie, hanno anche consentito di verificare la teoria della relatività di Einstein e hanno costretto gli scienziati a definire il secondo come “l’intervallo di tempo in cui un atomo di Cesio compie 9.192.631.770 transizioni tra due livelli energetici”.

  • Dava Sobel “Longitudine. Come un genio solitario cambiò la storia della navigazione”. Rizzoli, 2017.
  • Sergio Giudici “Fare il punto”. Mondadori Università, 2016.

 

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Informazioni su elenacosi

Insegnante di Scienze Naturali (Biologia, Chimica, Geologia, Astronomia) presso la scuola secondaria superiore
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