Febbraio 2022 - narraremare

Strumenti a riflessione: il sestante

di elma

Dalla presentazione presso la Royal Society dell’ottante di Hadley nel 1731, si dovrà attendere il 1750 perché lo strumento si diffondesse prima nella marina inglese e successivamente nelle altre marine. Inizialmente l’ottante, non sempre dotato di cannocchiale, era di grandi dimensioni (raggio di circa 50 cm) per limitare gli errori della scala, struttura in legno duro, specchi in metallo, alidada in rame e lembo in avorio.

Nello stesso anno (1730) in cui Hadley inventava il suo ottante, anche l’americano Thomas Godfrey (1704-1749) inventò uno strumento simile e ritenendo la sua invenzione originale ne trasmise una dettagliata descrizione alla Royal Society. In verità si scoprì poi, nel 1742, che la paternità dell’invenzione era stata di Newton.

L’ottante in pochi anni subì numerose modifiche, dalla disposizione verticale per un più facile uso, fino alla forma tipica del sestante in cui l’ampiezza dell’arco graduato fu portata da 45° a 60°, come aveva suggerito nel 1757 il vice ammiraglio inglese John Campbell (1720-1790), marinaio e uomo di scienza. Successivamente l’arco del lembo fu portato a 80°

Con la realizzazione delle prime macchine a dividere e gli ulteriori progressi tecnologici iniziati a partire dagli ultimi anni del ‘700 (per un approfondimento ved. l’articolo sull’evoluzione degli strumenti nautici) il sestante raggiunse nel corso di quello scorcio di fine secolo e degli inizi dell’800 già un alto grado di perfezione.
I principali protagonisti del progresso di un così importante strumento per la navigazione astronomica furono gli inglesi e i tedeschi, tra cui l’ottico inglese Jesse Ramdsen (1735-1800), il tedesco Georg von Reichenbach (1772-1826), l’inglese Edward Troughton (1753-1835)

Nota: quando il traguardo è l’orizzonte l’altezza α = 0 e i raggi incidenti e riflessi dagli specchi formano un angolo β rispetto alla normale agli specchi stessi. Poichè lo specchio piccolo è fisso i due raggi incidente e riflesso non cambiano di posizione (altrimenti il target non sarebbe osservabile). Quando il traguardo ha un angolo α > 0 lo specchio grande deve ruotare e quindi ruota la sua normale. L’angolo γ formato tra le due normali allo specchio grande (corrispondenti alle due posizioni) ha lo stesso valore dell’angolo percorso dall’alidada. Con semplici passaggi si ricava che l’angolo percorso dall’alidada è la metà dell’altezza α, quindi una escursione di 60° dell’alidada corrisponde a 120° di apertura.

Il relitto di Anticìtera – 1901

di elma

Un breve racconto che inizia poco prima di Pasqua del 1900 con la scoperta del relitto di un’antica nave e del recupero del suo prezioso carico costituito da magnifici bronzi, splendide coppe di vetro e numerosi strani frammenti metallici ben presto identificati come facenti parte di una specie di strumento, a cui fu assegnato il nome generico di Meccanismo di Anticitera, sul quale per oltre un secolo si sono applicati studiosi di varie discipline per svelarne l’originale contenuto.

Magnetometro e bussola fluxgate

di elma

Il russo Victor Vacquier (1907 -2009), all’età di 13 anni con la famiglia fuggì dalla guerra civile russa su una slitta trainata da cavalli con cui, attraversato il Golfo di Finlandia, interamente ghiacciato, giunse a Helsinki. Tre anni dopo si spostarono in Francia. Vacquier quindi si trasferì negli Stati Uniti dove conseguì una laurea in ingegneria elettrica e due anni dopo, nel 1929, un master in fisica.
Nel 1930, il team di ricerca della Gulf di cui Vacquier era responsabile, ideò e realizzò il primo magnetometro fluxgate che venne impiegato durante la Seconda Guerra Mondiale per rilevare i grandi oggetti in metalli ferrosi, come i sottomarini, che determinano variazioni localizzate nel campo magnetico terrestre.

Un magnetometro fluxgate è un dispositivo in grado di misurare direzione e forza di un campo magnetico (appartiene così alla famiglia dei magnetometri vettoriali), in particolare quello terrestre ed è costituito da un piccolo nucleo di materiale ferromagnetico su cui sono avvolte due bobine, una primaria di eccitazione ed una secondaria di rilevamento. La prima viene alimentata da una corrente in grado di saturare ciclicamente il nucleo, cioè di magnetizzarlo, smagnetizzarlo, invertire la magnetizzazione, smagnetizzarlo e così via. Tale evoluzione continua del campo magnetico induce una corrente elettrica nella bobina secondaria che viene misurata da un rilevatore. Se tutto ciò avviene in assenza di un campo magnetico esterno le correnti di ingresso e di uscita sono in fase. Nel momento che il dispositivo si trova immerso in un campo magnetico si registra uno sfasamento tra le due correnti il cui valore è dipendente dall’intensità del campo magnetico di fondo. Naturalmente il dispositivo si completa con circuiti di elaborazione della corrente di uscita adatti a fornire il valore del campo magnetico, mentre l’asse della barretta fornisce la direzione del campo rilevato.

Dopo la guerra Vacquier entrò alla Sperry sviluppando girobussole e con la fine degli anni ’50 diresse un programma che utilizzava i suoi magnetometri fluxgate (quali dispositivi surplus del periodo bellico) per mappare le variazioni magnetiche del fondo dell’oceano dando inizio a una mappatura delle variazioni magnetiche che già dalla fine del ‘700 i marinai delle aree del nord Atlantico avevano riconosciuto nelle letture alla bussola.

Il più noto, ma non l’unico, impiego dei magnetometri fluxgate è quello delle bussole il cui primo esemplare fu realizzato nel 1943 dalla Eclipse-Pioneer, una divisione della statunitense Bendix Aviation.

Il principale vantaggio delle bussole fluxgate rispetto a quelle tradizionali è dovuto alla tipologia di uscita delle misure, di tipo elettronico digitale, che possono essere remotate ed interfacciate con altra strumentazione di navigazione.
Inoltre l’integrazione, avvenuta in tempi relativamente più recenti, con l’asservimento da microprocessore ha permesso la produzione di bussole autocompensate che pertanto non necessitano sia di magneti compensatori sia delle procedure tabellari dei valori residui delle deviazioni.
Rimane solo l’esecuzione di un giro di bussola.

Il campo magnetico terrestre ha in superficie una componente orizzontale ed una verticale (la componente orizzontale cresce dal polo all’equatore, viceversa la componente verticale), quest’ultima non utile ai fini della navigazione ma che può influire sulla misura se il sensore si sposta dalla sua posizione orizzontale come può accadere per rollio, beccheggio o sussulto. Nei sistemi più complessi si ricorre a piani inerziali giroscopici su cui sono posti i magnetometri mentre in altri si ricorre allo smorzamento delle oscillazioni, in genere ottenuto con algoritmi che rilevano i movimenti dello scafo attraverso opportuni sensori.

Faro di Capo Bonavista

di elma

Sul Capo di Bonavista a circa 4,5 miglia dalla omonima città (nella provincia del Labrador in Canada) si erge un faro, oggi dismesso, che è stato attivo dal 1843 al 1966, quando fu sostituito da un più moderno faro a traliccio (Fl W 10s) , visibile nella foto.

Si presenta come una torre cilindrica sovrastante la casa del custode, entrambe a strisce verticali rosse e bianche. Nella lanterna è installata (funzionante ma non attiva) una rarissima luce catottrica di costruzione scozzese del 1816, con sei riflettori da 46 cm, ognuno dotato di bruciatore (non è quindi presente la lente di fresnel).

Nel 2000 la Provincia di Terranova e Labrador. decise il restauro del faro il cui programma dei lavori ebbe un ritardo a causa di un incendio appiccato da un fulmine il 3 agosto 2001. Nel settembre 2003 le attività di restauro furono completate anche con il recupero della particolare sorgente luminosa.

Come per molti altri fari sparsi nel mondo, anche quello di Capo Bonavista è divenuto un piccolo museo marittimo aperto al pubblico, ma oltre ad esporre le attrezzature e gli oggetti della vita dei guardiani del faro è anche un punto di osservazione sulla natura da cui è possibile vedere passare le colorate pulcinelle di mare, le balene e perfino gli iceberg.

nota: le foto sono tratte dal sito istituzionale della città di Bonavista

Fari – storia degli apparati ottici

di elma

L’aumento di visibilità di un faro si ottiene concentrando la maggior parte dei raggi luminosi emessi dalla sorgente luminosa in un cono di pochi gradi con vertice nel centro della sorgente e l’asse diretto verso l’orizzonte.
In origine si adottò il metodo di riflessione della luce, dall’impiego di una superficie piana, come un muro imbiancato a calce retrostante la fonte luminosa, ad apparati ottici veri e propri, noti come catottrici (dal greco katotrikós – speculare), quali specchi argentati dal profilo piano, sferico, parabolico o una loro combinazione.

Molto probabilmente il primo esempio di riflettore potrebbe essere stato quello del faro di Alessandria se sono vere le informazioni tramandateci da storici arabi che, avendo visitato quello che ancora era in piedi della torre, fanno riferimento all’esistenza di superfici metalliche riflettenti. Una documentazione certa dell’uso dei primi riflettori piani in metallo lucido che rimandano in avanti una parte della luce, risale alla prima metà del ‘500. Nel corso dei successivi due secoli molti fari furono dotati di riflettori metallici anche se non si hanno notizie sulla loro forma e configurazione.
Un particolare riflettore degno di essere ricordato è quello fatto costruire dall’ingegnere francese de Bitry installato al faro di Cordouan in Francia nel 1727 costituito da una piramide rovesciata con facce rivestite di metallo lucido capaci di riflettere la luce del fuoco del carbone del faro. Tale idea, pur originale, non ebbe vita lunga a causa della fuliggine che costringeva a continue operazioni di pulizia.

Verso la fine del ‘700 comparvero i primi riflettori sferici in metallo lucido (in precedenza venivano realizzati dei gusci rivestiti di moltissimi specchietti) tra cui il réverbère di Pierre Tourtille Sangrain (1771), un noto imprenditore francese che aveva vinto nel 1769 l’appalto per l’illuminazione della città di Parigi.

I riverberi furono utilizzati prima nel faro francese di Saint-Mathieu in Bretagna nel 1773 e successivamente in quello di Corduan, la cui lanterna venne equipaggiata con 80 lampade a riflettore da 20 cm disposte su cinque archi sostenuti da un’asta centrale. Ogni lampada possedeva uno stoppino piatto immerso in un piccolo serbatoio situato sul retro del riflettore che poteva contenere olio di colza, di oliva o il più pregiato olio di balena. Una leva consentiva di alzare e abbassare le lampade per facilitarne la manutenzione. Con tale nuovo sistema illuminante la lanterna venne accesa per la prima volta il 12 novembre 1782. Purtroppo, dopo un iniziale spettacolare effetto luminoso, l’efficienza del sistema calò rapidamente tanto che alla fine di quell’anno i marinai già si lamentavano della sua scarsa visibilità, facendo presente che la luce si vedeva a non più di due leghe (circa 4 Nm), mentre il vecchio fuoco con carbonella si vedeva fino a una distanza di 6 o 7 leghe (12-14 Nm).
Nel 1783 furono aggiunti ulteriori riflettori più grandi e fu resa più efficiente l’estrazione dei fumi, ma non si ebbero sostanziali miglioramenti. Quello stesso anno l’ingegnere navale francese Joseph Teulere (nel 1786 fu incaricato di alzare il faro di 20 m per migliorarne la visibilità) propose lampade con riflettori metallici parabolici capaci di concentrare in raggi paralleli la luce riflessa della sorgente luminosa posta nel fuoco.
Teulere applicò anche un sistema a orologio di rotazione dell’asse portante i riflettori ottenendo così anche la caratteristica luminosa del faro. Tale sistema era stato applicato per la prima volta circa vent’anni prima dall’ingegnere svedese Jonas Norberg (1711–1783) su alcuni fari della Svezia.

Un passo importante nell’evoluzione degli apparecchi luminosi fu quando il chimico svizzero François Pierre Ami Argand (1750 1803), fra il 1783 e il 1785, realizzò una lampada in cui l’antico becco della lucerna venne sostituito da un becco di forma nuovissima, costituito da uno stoppino posto tra due cilindri concentrici di metallo con la possibilità di essere alzato o abbassato. Il nuovo bruciatore si completava di un tubo di vetro cilindrico dalla base alla sommità.
La fiamma anulare della nuova lampada beneficiava così di una doppia aerazione, interna ed esterna e il vantaggio era ulteriormente accresciuto dal tubo che accelerava la velocità delle due correnti d’aria.
Il bruciatore Argand era in grado di produrre una luce più luminosa, di ben 5 volte maggiore dei bruciatori allora esistenti, più bianca e più stabile. Verso la fine del ‘700 la lampada di Argand venne inserita nei riflettori sferici, ben presto sostituiti da quelli parabolici capaci di una maggiore concentrazione anche se circa il 30% della luce della sorgente si perde dai bordi del riflettore. Alla maggiore luce si associava una minore produzione di fumo della lampada, il principale responsabile del decremento dell’efficienza dei riflettori.
Per altre notizie vedere l’articolo sulla lampada di Argan in questo sito.

Con le possibilità tecnologiche dell’epoca la forma parabolica si poteva ottenere solo a mano eventualmente con l’aiuto di una forma su cui veniva martellato un sottile foglio di rame. Seguiva una lucidatura e quindi un processo di rivestimento in argento come quello degli specchi. L’ambiente marino e l’inevitabile fuliggine, per quanto minima, rilasciata dalla lampada, minimizzata con l’inserimento di una canna fumaria nel locale della lanterna, costringevano a continue azioni di pulizia e lucidatura che conducevano ben presto alla perdita del rivestimento d’argento e quindi alla sostituzione del riflettore. Tra imperfezioni iniziali, graffi successivi, fuliggine, problemi ai bordi, un faro attrezzato con tali apparati aveva un rendimento molto basso.

Sempre in quell’ultimo scorcio del XVIII secolo si ebbe la prima applicazione di sistemi ottici, quali le lenti convesse, costituite esclusivamente da superfici rifrangenti con cui rendere parallela all’asse ottico la luce della sorgente posta nel suo fuoco, in maniera simile ai riflettori parabolici, ma eliminando la riflessione sostituita da superfici esclusivamente rifrangenti (apparati diottrici – un termine di origine greca che ha il significato di vedere attraverso) . Si ha notizia che un artigiano inglese del vetro Thomas Rogers realizzò delle lenti di 53 cm di diametro e 14 di spessore al centro che furono installate nel 1789 al faro di Portland Bill nel sud dell’Inghilterra.
Altri fari furono dotati di tale tipo di apparato ottico, noto come bull’s eye (occhio di bue), ma i risultati non furono incoraggianti sia per l’eccessivo assorbimento luminoso nella rifrazione dovuto al forte spessore sia per problemi ai bordi risolvibili con lenti decisamente più grandi di diametro e quindi di spessore, con conseguente ulteriore aumento dell’assorbimento.

Passo decisivo fu il sistema ottico degli apparati catadiottrici, combinazione di elementi rifrangenti e riflettenti, noti come lenti di Fresnel, inventati negli anni ’20 dell’800 dall’omonimo ingegnere francese, che si diffusero rapidamente ovunque per essere adottati, in varie forme e dimensioni, in tutti i sistemi di segnalamento luminoso.

Nel seguito e fino ai giorni nostri, il progresso è stato quello delle sorgenti luminose e degli apparati di controllo e gestione anche a distanza dei fari.

segnalamenti – sorgenti luminose

di elma

La prima fonte di segnalazione luminosa fu la catasta di legna posta in bracieri sulle coste o sui fari romani. Con il Medioevo, durante il quale i fari romani andarono in rovina e le segnalazioni erano semplici falò sulla costa, a partire dal 1100 in alcuni porti italiani vennero costruiti nuovi fari tra cui la Lanterna di Genova che diede l’impulso alla realizzazione di fari in tutta Europa.
Con il ‘600, mentre nell’Europa nord occidentale il carbone aveva quasi del tutto sostituito il legname, soprattutto nei luoghi con maggiore disponibilità, per la sua compattezza, più alta durata e una minore necessità di attenzione da parte dei custodi, nell’area mediterranea il legname era stato quasi del tutto sostituito da lampade ad olio o a candela.
Sarà però la seconda metà del ‘700 l’inizio dello sviluppo tecnologico dell’illuminazione dei fari ad opera soprattutto della Francia che già dalla fine del secolo precedente, per volere del ministro della Marina Jean-Baptiste Colbert (1619 – 1683), aveva migliorato la struttura dei sistemi di illuminazione costiera.

Nel corso dell’800 il legname prima e il carbone poi furono sostituiti dalle lampade ad olio vegetale ed animale. Il carbone resistette più a lungo per la grandezza del fuoco pur presentando una combustione estremamente variabile.

Un primo importante cambiamento si ebbe alla fine del ‘700 con l’invenzione del bruciatore di Argand che diede origine, fin dall’inizio del secolo successivo, a numerosi tipi di lampade ad olio adatte all’uso nei fari, integrate, prima, in riflettori e successivamente inserite nel fuoco delle nuove e rivoluzionarie lenti fresnel, dotate di congegni originati da una rapida diffusione di fari, principali e secondari, dovuta a una intensificazione dei traffici, quali dispositivi di riserva di olio di diversi giorni con regolazione dello stoppino e del flusso d’olio; lampade dotate di leve per allontanarle dalla loro posizione per facilitare le attività di manutenzione; lampade a due o più stoppini concentrici; lampade pneumatiche in cui l’aria in pressione, ottenuta con pompe a mano, consentiva il flusso di olio dal serbatoio del carburante sotto il bruciatore fino allo stoppino, ecc.

Un contributo all’evoluzione tecnologica dei fari la diede nella seconda metà dell’800 la produzione di cherosene dal carbone (in laboratorio nel 1846 – in uso nelle lampade dal 1862), noto come olio di carbone (coal oil), sostituito dagli anni ’70 con il più economico cherosene da petrolio, detto petrolio lampante, il cui processo di raffinazione era stato scoperto nel 1856. L’olio minerale prevalse su quello naturale, non solo per il suo minore costo, ma anche perché, nella spinta tecnologica suddetta, fu ideato un bruciatore, a stoppino multiplo, in grado di consumare con efficienza gli oli idrocarburici.
Oggi l’unico faro al mondo che ancora impiega tale combustibile è il faro di Elbow Reef alle Bahamas.

Tale tipo di bruciatore fu impiegato fino alla fine del secolo. soppiantato da un nuov tipo, quello ad incandescenza a vaporizzazione dell’olio minerale (in ingl. incandescent oil vapor lamp – indicato con l’acronimo IOVL) introdotto per la prima volta dal servizio fari francese nel 1898 al faro di L’Île Penfret. Il principio base è quello che l’olio viene vaporizzato e miscelato con aria compressa (una sorta di carburatore) e spruzzato in un bruciatore dotato di mantello, un originale dispositivo dell’inventore e chimico austriaco Carl Aurer von Welsbach (1858 – 19 29), conosciuto anche come reticella Auer, una rete in cotone rivestita di metalli che la rendono incombustibile e molto luminosa alla fiamma (da cui il termine incandescente). L’aria veniva compressa in un piccolo serbatoio a mezzo di una pompa a mano.

In contemporanea alla IOVL fece la comparsa la lampada ad acetilene, un idrocarburo gassoso scoperto nel 1836, costituita da due serbatoi sovrapposti, quello inferiore contenente carburo di calcio e l’altro contenente acqua. La reazione tra questi due componenti produce l’acetilene che, attraverso un condotto, giunge a un beccuccio posto sulla parte superiore della lampada, da cui fuoriesce bruciando, dopo essere stato acceso, con una fiamma particolarmente intensa.
Il sistema dell’acetilene permise la creazione di fanali e di numerosi fari in luoghi remoti e inaccessibili, privi di personale di custodia, richiedendo in genere solo una visita nel corso dell’anno necessaria alla manutenzione dei meccanismi e al rifornimento dei contenitori di stoccaggio.

Già in precedenza vi erano stati dei tentativi di utilizzo di combustibili gassosi come quelli derivati dal carbone e poi dal petrolio impiegati nell’illuminazione pubblica a partire dagli anni ’20 dell’800, ma il suo uso nei fari avvenne alla fine degli anni ’30 ed era possibile solo con una centrale di produzione prossima al faro. Nel 1884, alla morte del tedesco Julius Pintsch, i figli impiegarono il gas da petrolio che il padre aveva inventato, compresso in bombole, quale sorgente luminosa per vagoni ferroviari e boe di segnalazione.

Nel corso dell’800 le scoperte della ricerca scientifica trovarono un immediato sviluppo tecnologico nel campo elettrico da parte sia di nuove figure professionali che si consideravano più artigiani che non fisici applicati, sia degli stessi scienziati.
Una ricostruzione seppure breve e incompleta sull’argomento è necessaria per identificare almeno le tappe più significative dell’evoluzione dei principali manufatti e dispositivi elettrici introdotti nella gestione dei fari che troveranno sviluppo nel secolo successivo.

L’uso dell’elettricità per illuminazione ebbe inizio in via sperimentale con le lampade ad arco a carbone intorno alla metà dell’800. Prima di allora ci fu la pila di Volta (1800), l’accumulatore (1803), l’arco elettrico (1809), l’elettromagnete (1825), l’induzione elettromagnetica (1831). Quest’ultima scoperta, dovuta al chimico e fisico inglese Michael Faraday (1791-1867), che può brevemente riassumersi nel fenomeno fisico per cui un campo magnetico variabile genera una corrente elettrica in un conduttore, diede la possibilità ad abili inventori di creare dispositivi meccanici capaci di generare corrente elettrica, i generatori magnetoelettrici che a partire dal 1840 si affiancarono agli accumulatori nella metallizzazione elettrolitica e nel decennio successivo trovarono impiego negli impianti di illuminazione dei fari il primo dei quali fu uno dei due fari di South Foreland (il luogo scelto successivamente da Guglielmo Marconi per i suoi primi esperimenti nelle trasmissioni radio oltre oceano) in Inghilterra dove nel 1857 fu installato un enorme generatore magnetoelettrico di ben 2 t , trascinato da un motore a vapore, in grado di alimentare un lampada ad arco di carbone. La macchina, progettata dal professore inglese di chimica Frederick Hale Holmes, ebbe un certo successo tanto da trovare applicazione su qualche altro faro anche se non molto tempo dopo la maggior parte di essi fu convertita con lampade a cherosene avendo sperimentato le difficoltà di controllo e i forti costi di gestione delle lampade ad arco.

Si evidenzia che uno dei maggiori studiosi di tale tipo di lampada fu l’inglese Hertha Marks Ayrton (1854 – 1923), laureata in matematica e studiosa di fisica ed ingegneria elettrica. Ella fece numerosi studi sull’arco elettrico (e non solo) proponendo alcuni accorgimenti migliorativi tra cui l’inserimento degli elettrodi di carbone in un’ampolla di vetro per ridurne il consumo. Una vita dedicata alla ricerca, impegnata nella famiglia e scontrandosi frequentemente con pregiudizi di istituzioni che poco spazio davano alle donne.

In quel periodo di continui progressi fece la sua comparsa la dinamo (1871), realizzata dal belga Zenobe Gramme (1826-1901), in origine una invenzione dello scienziato italiano Antonio Pacinotti (1841-1912).

La macchina risultò molto affidabile ed ebbe un grande successo commerciale perché il mercato da tempo attendeva un prodotto di tale qualità ed affidabilità che non soffrisse di surriscaldamento.

Con il nuovo secolo furono fatti numerosi progressi nelle macchine elettriche e un perfezionamento continuo delle lampadine ad incandescenza che, da una semplice lampadina con filamento di platino, brevettata da Thomas Alva Edison (1847-1931) intorno al 1880, raggiunse uno standard adatto per l’illuminazione dei fari marittimi intorno agli anni ’20 del ‘900. Si trattava di una lampada elettrica a incandescenza con filo di tungsteno, un’invenzione di inizio secolo, in atmosfera di argon con aggiunta di xeno in grado di fornire una maggiore luminosità e durata.

Con il XXI secolo, prima nei dispositivi minore di segnalamento luminoso poi nei fari, gli illuminanti elettrici sono stati in buona parte convertiti con sorgenti in tecnologia LED, che dalla scoperta negli anni ’60 del secolo scorso ad oggi ha fatto notevoli progressi e continua la sua evoluzione.
In Italia il primo faro italiano convertito è stato quello del molo San Vincenzo di Napoli nel 2016, nella stessa base dove nel 1911 nasceva il Servizio fari italiano sotto il controllo della Marina Militare.