Was there life before computer?

gli strumenti di calcolo prima dell'era digitale


Storia della navigazione


Il 21 luglio 2009 la navetta Endeavour rientrava dalla sua 23° missione nello spazio. A bordo c'era un astrolabio, strumento inventato da Ipparco nel 200 a.C. e sempre attuale. Non dimentichiamo che il sestante veniva ancora usato a bordo del Jumbo Jet e che sull'Apollo 11 si navigava verso la Luna misurando l'altezza delle stelle, non diversamente da James Cook sulla nave Endeavour*.

Dall'avvento del GPS tutto questo sembrerebbe essere ormai alle nostre spalle, ma proprio i mezzi più tecnologici continuano ad utilizzare i sistemi tradizionali. Le navette spaziali hanno orbite più alte di quelle dei satelliti GPS e non ricevono il segnale, rivolto verso la terra: per loro si ricorre ancora alla navigazione astronomica e, pur disponendo di sestanti automatizzati che rilevano la posizione in pochi secondi, il principio rimane lo stesso usato da Cristoforo Colombo.

   

Il sestante dello Shuttle Columbia col suo pannello di controllo

L'antica arte di navigare non è ancora perduta ed è importante per la storia del calcolo e lo sviluppo degli strumenti di misura: i primi computer servivano proprio per calcolare le tavole logaritmiche e le effemeridi nautiche, indispensabili per le osservazioni degli astri. Vediamone brevemente la storia

* L'Endeavour fu l'ammiraglia di Cook durante la circumnavigazione del 1768-71, nel corso della quale vennero cartografate la Nuova Zelanda e la costa est dell'Australia. Per ricordarla vennero battezzati col suo nome il modulo dell'Apollo 15 e uno Shuttle. Il viaggio attorno al mondo era stato estremamente difficile ma Cook era un uomo risoluto, sue le parole "Ho l'ambizione di andare non solo più in là di dove nessuno sia mai giunto, ma tanto in là sia mai possibile giungere", e chiamerà proprio Resolution la nave utilizzata nei successivi viaggi.

Gli esordi

Gli antichi marinai navigavano sempre sottocosta, aiutandosi spesso con lo scandaglio: "Quando trovate 11 braccia siete ad un giorno da Alessandria" scriveva Erodoto, ma per avventurarsi in mare aperto era necessario osservare il Sole. La direzione da cui sorgeva era il riferimento principale ed ancora oggi ci si "orienta" per ritrovare la strada, mentre i nomi Asia ed Europa derivano dalle denominazioni fenicie dell'Est (Asu) e dell'Ovest (Ereb). Di notte ci si affidava alle stelle: per raggiungere un porto basta navigare sopra il suo parallelo e si otteneva la latitudine misurando col braccio teso l'altezza della Polare. I Romani chiamavano le stelle dell' Orsa Minore "Septem Triones" e da qui viene la parola "Settentrione" per indicare il Nord.

In seguito gli Arabi inventarono il Kamal, un rettangolo di legno dal quale pendeva una cordicella con dei nodi, ciascuno corrispondente ala latitudine di un porto. Il capitano prendeva fra i denti il nodo relativo alla sua destinazione, allineando il Kamal con l'orizzonte: se la Polare si trovava più in alto bisognava correggere la rotta verso Nord, se al di sotto verso Sud.

Il funzionamento del Kamal (© J.M. Kalouguine)

Come tutti sanno la latitudine di un luogo è la distanza angolare dall'equatore, facilmente determinabile osservando l'ombra proiettata a terra da uno stilo; la longitudine è invece la distanza angolare da un meridiano convenzionale detto "primo meridiano", dal 1884 quello di Greenwich, ed è molto difficile da misurare.

Ipparco risolse il problema nel 200 a.C. con calcoli astronomici, ma bisognerà attendere duemila anni per poterla calcolare sul mare. Ipparco inventò inoltre l'astrolabio, divise i circoli massimi della terra in 360 gradi e determinò la posizione di tutte le stelle. Sfericità e dimensioni della terra erano già note ai Greci sin dall' epoca classica, assai prima dei tempi di Colombo, e la navigazione era un'arte basata sull'interpretazione dell'ambiente e sulla sensibilità personale. Nondimeno già nel 2000 a.C. tutto il mondo era esplorato ed abitato. Queste conoscenze furono poi dimenticate nel Medioevo e dovettero essere faticosamente riscoperte.

Nel secolo XIII° si diffuse in Europa l'uso della bussola cinese, che impiegò diversi decenni per affermarsi: la si credeva animata dalla magia ed a quei tempi i marinai utilizzavano solo strumenti facilmente comprensibili. Nel 1400 gli Italiani introdussero la rosa dei venti, prima graduata in rombi o quarte ed oggi in 360°.

   

Bussola e rosa dei venti

Si era notato che l'ago non puntava esattamente il Nord, ma si pensava che l'angolo così formato fosse immutabile. Colombo vide invece che, spostandosi verso Ponente, diminuiva fino a zero per poi aumentare in senso opposto. Credette di aver trovato un sistema per calcolare la longitudine ma in realtà aveva scoperto la declinazione magnetica, differenza fra la direzione del Nord geografico e quella del Nord magnetico, che varia annualmente da luogo a luogo.La declinazione fu identificata già nel 1600 e subito si pubblicarono le tavole di correzione per la bussola.

Le antiche tecniche di navigazione cambiarono poco nel Medio Evo e, anche se la diffusione della bussola permise di mantenere meglio la rotta, il punto nave si effettuava sempre stimando direzione e velocità. Le osservazioni erano molto imprecise ed esistevano diversi grafici, simili ai moderni regoli aeronautici, che aiutavano a tener conto del cammino percorso

Per conoscere la velocità si lanciava in mare una tavoletta, legata a una corda provvista di nodi a distanze regolari, contando poi i nodi che passavano nella mano in un dato tempo. Questo sistema fu sostituito nell'800 dai solcometri ad elica ma la velocità in mare si esprime ancora in nodi (1 nodo = 1.853 metri/h).

Verso il 1300 arrivò dal mondo islamico l'astrolabio, derivato da un invenzione di Ipparco. E' un vero computer analogico che permette di determinare la posizione con le stelle, ma era difficile da usare a bordo e i marinai ne preferivano una versione semplificata, utile per trovare la latitudine con osservazioni di Sole.

   

Astrolabio stellare e modello semplificato per osservazioni di Sole

Gli astrolabi forniscono soluzioni ragionevolmente approssimate e sono ancora in uso fra gli astronomi: basta comprare un semplice modello in cartoncino per rendersi conto delle sue potenzialità.

La navigazione astronomica

Con l'inizio delle navigazioni oceaniche apparvero l'Almanacco Nautico, col quale è possibile determinare la latitudine misurando l'altezza meridiana del Sole, ed il quadrante e la balestriglia per effettuare le osservazioni. Nel 1595 Davis costruì il backstaff, che evitava di traguardare direttamente l'astro, ma gli strumenti dell'epoca erano tutti poco affidabili e la ricerca di precisione e praticità portò Hadley, nel 1731, a sfruttare un' idea di Newton inventando l'ottante a specchi con la scala di 1/8 di circonferenza, trasformatosi pochi anni dopo nel moderno sestante con la scala di 1/6 di circonferenza.

Balestriglia e sestante

L'ottante rivoluzionò le misurazioni, Lacaille battezzò una costellazione in suo onore, ma per trovare l'ora esatta e determinare la longitudine c'era solo il metodo delle distanze lunari, soggetto a notevoli errori. Il problema era così importante che il Governo Inglese istituì un premio di ben 20.000 sterline per chi l'avesse risolto. Il premio fu vinto nel 1776 da Harrison con un precisissimo cronometro che testato da James Cook fece esclamare al celebre capitano: "Ormai la navigazione è diventata semplicissima!". Con un cronometro regolato sul tempo del primo meridiano si può, osservando il Sole a mezzogiorno, trovare l'ora locale e risalire con discreta approssimazione alla longitudine.

Sestante nautico e modello aeronautico

   

Cronometro di Harrison e ottante

Nel 1837 il capitano Sumner, sospinto dalla tempesta in una zona pericolosa, segnò sulla carta il risultato di tre frettolose osservazioni di Sole ed unendole con una retta intuì che la nave doveva trovarsi in un punto qualsiasi della stessa. Pubblicò le sue riflessioni e nel 1875 l'ammiraglio Marcq de St.Hilaire perfezionò questo metodo, che permette di trovare rapidamente l'esatta latitudine e longitudine con due sole misure di altezza e di tempo di un astro qualsiasi. In quegli anni apparvero inoltre tavole di declinazione ed effemeridi senza errori e di immediata comsultazione.

   

Osservazioni col sestante a bordo di un veliero e di un DC-8

Nasceva la navigazione astronomica moderna, così precisa da essere utilizzata anche sugli aerei e nei voli spaziali. I calcoli da eseguire sono però estremamente complicati e l'errore massimo accettabile è dello 0,02%. Tanta precisione è superiore alle possibilità dei regoli ed i naviganti usavano le tavole logaritmiche: prima delle calcolatrici e del GPS la navigazione era un lavoro da matematici, svolto dagli Ufficiali di Rotta. Sugli aerei però si adoperavano delle tavole ridotte di uso più semplice.

   

Il sestante dell'Apollo e la posizione tracciata per l'atterraggio sulla Luna

La navigazione satellitare

Alla fine dell'800 Guglielmo Marconi aveva inventato la radio e già nel 1901 John Stone-Stone brevettò il primo sistema di navigazione radioassistita, subito migliorato da Ettore Bellini e Alessandro Tosi. A bordo si trova una ricevente con una antenna direzionale girevole (radiogoniometro) che rileva la provenienza (azimut) dei segnali e la navigazione si effettua come se il trasmettitore fosse un faro e il segnale un fascio di luce.

Nella prima metà del '900 fu quindi installata una rete di stazioni che emettevano segnali direzionali ma purtroppo la propagazione delle onde radio sulle lunghe distanze è dipendente dalle condizioni atmosferiche che la possono limitare notevolmente e, per migliorare la sicurezza, venne fatto lo sforzo tecnologico forse più grande della storia.

Questa tecnologia rileva la direzione da cui perviene un radiosegnale oppure misura le differenze di tempo o fase nella ricezione di segnali trasmessi da più stazioni. I principali sistemi furono il radiogoniometro, il Loran e l'Omega, sviluppati durante la II° Guerra Mondiale ed oggi surclassati dal GPS.

Nel 1959 gli Stati Uniti misero in orbita i 6 satelliti del sistema Transit, in grado di fornire il punto ogni 90 minuti. Ancora poco pratico per la navigazione aerea fu sostituito nel 1991 dal NAVSTAR-GPS, 24 satelliti e diverse stazioni a terra, che calcola il tempo impiegato da un segnale a percorrere la distanza satellite-ricevitore determinando continuamente posizione, altitudine, rotta e velocità con uno scarto minimo. L'antico sogno di tutti i naviganti si era finalmente avverato.

Ricevitore GPS con cartografia integrata

Il sistema è di una complessità estrema, basti pensare che il ricevitore della nostra auto, per trovare l'indirizzo cercato, deve considerare anche gli errori relativistici e la curvatura dello spazio-tempo. Abbiamo un gioiello tecnologico nel cruscotto ma talvolta ci comportiamo come la caricatura del selvaggio con la sveglia al collo: sappiamo leggerlo senza avere idea di come funzioni.

L'utilissimo GPS è però fuori dal controllo degli utenti: può guastarsi, essere disattivato dal gestore o fornire dati falsati, anche volutamente. Finito il tempo in cui si diffidava della bussola quale strumento misterioso oggi si leggono acriticamente i dati del display. Questa tecnologia non si è affiancata alle vecchie conoscenze ma le ha cancellate, ormai pochi sanno "orientarsi" senza elettronica, e qualora il servizio venisse meno si navigherebbe con minor sicurezza di una nave fenicia.

La navigazione astronomica insegnava ad essere autosufficienti ed a compenetrarsi col mondo, in contatto con le bellezze del firmamento. Oggi non è più così, come già diceva agli inizi del '900 l' astronomo Flammarion:

"La mente si smarrisce quando realizzo che la maggior parte degli uomini non ha mai alzato lo sguardo al cielo"

   

Schema polinesiano per la navigazione e rete GPS

I Polinesiani sfruttavano la direzione predominante delle onde aiutandosi con carte fatte di corde e conchiglie che riportavano le variazioni del moto ondoso rifratto dalle isole. Disponevano di carte stellari e di un semplice sestante per orientarsi nella vastità del Pacifico, cosa molto più difficile che nei nostri mari. Il loro motto era "Se sai leggere l'oceano non ti perderai mai" e colonizzarono tutte le isole, lontane centinaia di miglia una dall'altra.




Pochi sanno che in questa era tecnologica le navette spaziali utilizzano
ancora la navigazione astronomica, come si usava ai tempi di Colombo




Nicola Marras 2011

      

Valid CSS 3!      Valid HTML 4.01!

Se visualizzate questa pagina priva del menù laterale
di navigazione cliccate sul banner per rientrare nel sito