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l primo esempio di giroscopio si deve al tedesco J.G. Federico Bohnenberger (1765-1831), professore di matematica, astronomia e fisica all’Università di Tubinga il quale lo realizzò nel 1815 per un uso didattico (in particolare per la spiegazione del fenomeno di precessione della Terra), chiamandolo semplicemente “Machine”. Acquisito dall’École Polytechnique di Parigi, su intervento del matematico Siméon-Denis Poisson (1781-1840), entrò in numerose scuole francesi per interesse dell’altro matematico francese Pierre-Simon Laplace (1749-1827).
Fu proprio la diffusione della “macchina di Bohnenberger” che sollecitò l’interesse di Léon Foucault (1819-1868) il quale nel 1852, dopo averne limitato il funzionamento a due gradi di libertà, ebbe modo di comprenderne l’uso anche come dimostratore della rotazione terrestre, così da coniare il nuovo termine giroscopio (dal greco giro-rotazione e scopos-a cui si guarda), termine poi rimasto anche quando il meccanismo è stato utilizzato per altre applicazioni.

Il giroscopio è fondamentalmente costituito da un corpo solido di rivoluzione di notevole inerzia (somma dei prodotti di ciascuna massa elementare per la corrispondente distanza dall’asse) capace di ruotare ad elevata velocità angolare intorno al proprio asse, convenzionalmente denominato X, noto anche come asse di spin.
Il rotore è montato su un sistema cardanico che permette anche le rotazioni intorno agli assi y e z.
Il giroscopio deve essere bilanciato, cioè il suo baricentro deve trovarsi all’intersezione dei tre assi della sospensione cardanica.
Il giroscopio così descritto, pemettendo le rotazioni secondo tre assi, è detto a 3 gradi di libertà. Se si blocca lo snodo cardanico intorno ad uno dei due assi Y o Z, al giroscopio rimangono 2 gradi di libertà.

Imprimendo velocità angolare al rotore, questo presenterà un fenomeno noto come inerzia o rigidità giroscopica che si manifesta nel mantenere inalterata la posizione dell’asse di spin in una data direzione.
Se inizialmente l’asse punta verso una stella, nel tempo tenderà ad indicare sempre la medesima stella. Tale proprietà è tanto più manifesta quanto maggiore è l’inerzia del rotore e più alta è la velocità di rotazione.
Occorre precisare che una direzione fissa sulla Terra non è affatto fissa nello spazio, perché la Terra ruota una volta sul proprio asse ogni 24 ore e compie una rivoluzione completa attorno al sole ogni anno. Il sole stesso si muove nello spazio portando con sé la Terra e gli altri pianeti. A causa di questi movimenti, l’ espressione “direzione fissa nello spazio” è quindi teorica. In ogni caso, da un punto di vista pratico è possibile dire che una linea condotta dalla Terra a una stella lontana (quella contenente l’asse di spin) è una direzione fissa nello spazio. Se l’asse di rotazione di un giroscopio rotante è puntato verso una stella lontana, rimarrà puntato verso la stella mentre la Terra gira.

Ogni volta che si tenta di allontanare l’asse di spin dalla sua posizione iniziale, ad esempio applicando una forza F verticale (ved. disegno), a cui corrisponde un momento M, che darebbe luogo, se il rotore fosse fermo, ad una rotazione intorno ad un asse normale al piano di F (nell’esempio intorno all’asse YY), si sperimenta invece un secondo fenomeno detto precessione del giroscopio in cui l’asse di spin si sposta nel piano perpendicolare a quello contenente la forza perturbante. L’asse di spin cerca di raggiungere il vettore M (percorrendo l’angolo minore), ma quest’ultimo nel frattempo cambia direzione . Così l’asse di spin nell’inseguire il momento perurbante viene a descrive lentamente un cerchio come si può osservare chiaramente nel moto della trottola.

Foucault ebbe l’occasione di notare che il giroscopio con due gradi di libertà presentava proprietà applicabili in navigazione. Ad esempio notò che impedendo la rotazione intorno a Z, l’asse di spin, una volta disposto nel piano meridiano, si disponeva parallelo all’asse terrestre ndicando la latitudine del luogo.

Note sui vettori: Velocità angolare e momento di una forza sono grandezze fisiche vettoriali, cioè grandezze dotate sia di un valore sia di una direzione e verso, come le velocità, gli spostamenti, le forze. Per la velocità angolare e il momento di una forza, si assume per convenzione come positivo il senso di rotazione antiorario. In tal caso il vettore velocità angolare o il vettore momento sarà orientato perpendicolarmente al piano di giacitura della coppia di forze o dell’elemento rotante e il verso sarà diretto verso l’osservatore . Una semplice regola pratica che permette di stabilire direzione e verso di una velocità angolare o di un momento di forze è la regola della mano destra: se si dispongono le dita secondo il senso di rotazione della coppia o dell’elemento rotante, il pollice indica la direzione e il verso del momento o della velocità angolare.

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 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.

Il livello di approssimazione degli strumenti a visione diretta, quali erano gli astrolabi, i quadranti, le balestriglie, non consentiva un progresso nella determinazione del punto nave, in particolare della longitudine. La più evidente necessità era quella di poter traguardare insieme l’orizzonte e un astro o contemporaneamente due astri, un’esigenza che intorno al 1660 trovò un primo tentativo da parte dell’olandese Joost van Breen con l’applicazione di un piccolo specchio al traguardo dell’orizzonte di una balestriglia. Tale strumento, di cui rimangono solo i disegni dell’inventore, chiamato spiegelboog o mirror staff, traducibile come balestriglia con specchio, si rivelò utile a tal punto da trovare impiego per circa 100 anni sulle navi olandesi della VOC (Vereenigde Geoctroyeerde Oostindische Compagnie – Compagnia olandese delle Indie orientali).

Successivamente, nel 1684, anche il grande scienziato inglese Robert Hooke (1635-1703) si cimentò realizzando uno strumento fornito di due regoli a compasso di cui uno costituito da un cannocchiale e l’altro corredato di uno specchio. Puntato con il cannocchiale, ad esempio l’orizzonte, era possibile, ruotando l’altro regolo, affiancare alla prima immagine quella riflessa di un altro oggetto. In teoria tutto sembra di facile impiego, in realtà l’immagine riflessa presentava una notevole instabilità particolarmente critica con i movimenti di una nave. Così dopo alcune prove l’inventore decise di abbandonare l’idea di impiegare uno specchio per la misura di angoli.

Il 6 maggio 1731, in una riunione presso la Royal Society di Londra, l’astronomo Edmond Halley (1656-1742), esponendo i suoi studi sui movimenti lunari che lo avevano convinto della loro utilità per la determinazione della longitudine in mare (si trattava del metodo delle distanze lunari), mise in evidenza l’assenza di uno strumento in grado di misurare agevolmente e con precisione le distanze angolari della Luna rispetto ad altri astri. Alla seduta era presente il suo a mico John Hadley (1682-1744), studioso di ottica, che l’anno prima aveva realizzato un quadrante costituito da due specchi che poteva essere la risposta a quanto lamentato da Halley. Così nella successiva seduta del 13 Hadley presentò le sue ricerche descrivendo lo strumento da lui ideato nell’estate del 1730. Halley, che non aveva partecipato alla seduta del 13, venuto a conoscenza dello strumento dell’amico, si ricordò che Newton già nel 1699 aveva descritto uno strumento di misura quale miglioramento del quadrante di Davis.

In verità Newton, caratterialmente motivato solo dai suoi studi teorici e disinteressato a dare conoscenza pubblica delle sue invenzioni, aveva descritto un quadrante a riflessione in un documento che aveva inviato ad Halley che stranamente lo aveva dimenticato e che comparirà solo dopo la morte dell’astronomo nel 1742. Il documento, corredato anche di un disegno dello strumento (quello da noi riprodotto), fu letto alla riunione della Royal Society il 28 ottobre di quell’anno. Ritornando al 1731, Hadley, incoraggiato dall’amico, dedicò diversi mesi al perfezionamento dello strumento passando da una disposizione orizzontale ad una verticale più maneggevole, ottenendo quello che prese il nome di ottante, così detto per avere il lembo, il bordo dell’arco su cui sono riportati i segni della graduazione, ampio 45°, l’ottava parte di un cerchio (360/8 = 45°).

La volvella, un termine derivato probabilmente dal latino volvere, ruotare (non a caso fu anche la denominazione attribuita alla primitiva bussola), è il nome di particolari artifici costituiti da uno o più dischi di vario materiale, girevoli intorno a un perno, impiegati per svariati scopi, come prodotto ludico, ausilio didattico, come abaco.

Comparse nel Medioevo, la maggiore diffusione delle volvelle si ebbe con l’avvento della stampa (1455), soprattutto nei testi con contenuto “scientifico” (inteso non nell’uso moderno) che nel ‘500 e ‘600 erano ricchi di illustrazioni capaci di estendere e completare quanto veniva trattato dall’autore. Tipicamente di carta o pergamena, la volvella era fissata a una pagina del libro che la conteneva ovvero veniva lasciato al lettore il compito di ritagliarla e costruirla.
Gli argomenti trattati di particolare interesse furono quelli di Cosmografia, un termine risalente alla seconda metà del ‘300, capace di coniugare la geografia con l’astronomia sferica, la parte dell’astronomia indirizzata allo studio delle posizioni apparenti e dei moti dei corpi celesti, con cui apprendere quelle nozioni utili a compilare oroscopi e predire gli effetti delle eclissi solari e lunari sulla salute dell’uomo.

Con le esplorazioni di nuove terre e di nuovi popoli si ebbe un particolare interesse verso l’astronomia da parte di quei lettori (cresciuti con l’avvento della stampa), spesso autodidatti soprattutto nella matematica, desiderosi di accrescere le basi teoriche della navigazione celeste per sentirsi più partecipi delle esplorazioni di regioni del mondo ancora sconosciute.
Così astronomi come l’inglese Johannes de Sacrobosco (1195-1256), il tedesco Petrus Apianus (1495-1552) e l’olandese Gemma Frisius (1508-1555) pubblicarono testi divulgativi di Cosmografia, inserendo diagrammi, illustrazioni e strumenti di carta, appunto le volvelle.

Le immagini qui riportate, tratte dal Cosmographicus liber (1524) di Apianus, riguardano una volvella quale ausilio didattico nella comprensione del notturlabio, indicato come Instrumentum syderale, con cui determinare l’ora di notte. Nel testo l’autore si rivolge in maniera diretta a un pubblico autodidatta offrendo loro, attraverso alcuni dispositivi mobili, la possibilità di compiere autonomamente semplici osservazioni astronomiche. Sotto l’aspetto didattico ed editoriale si trattò di un’idea vincente a tal punto che i metodi didattici di Apianus trovarono un seguito nei primi testi dedicati alla formazione dei marinai e piloti come il Breve compendio de la sphera y de la arte de navegar (1551) dello spagnolo Martín Cortés (1510-1582), un umanista con scarsa esperienza di navigazione e il più completo Arte de navegar (1545) del cartografo e cosmografo reale spagnolo Pedro de Medina (1493-1567).

La clessidra è un dispositivo di misura del tempo di passaggio per caduta di acqua o sabbia tra due ampolle di vetro.
Anticamente noto come clepsidra, termine di origine greca la cui etimologia significa dedurre acqua, essa trovò impiego in epoca classica per segnare lo scandire del tempo in particolari circostanze come turni di guardia e nell’attività forense. Quando poi la sabbia sostituì l’acqua tali orologi furono detti clepsamie, un termine ormai scomparso. In inglese le clessidre sono indicate genericamente come hourglass e poiché quelli a sabbia hanno in effetti soppiantato quelli ad acqua il termine più diffuso nella lingua anglosasone è sandglass.

A causa della fragilità del vetro delle ampolle, non ci sono pervenuti esemplari antecedenti il XVI secolo, mentre rappresentazioni iconografiche ad oggi catalogate si riferiscono al IV secolo. Una successiva testimonianza si ritrova solo nel ‘300 nell’Allegoria del Buon Governo (1338-1339) di Ambrogio Lorenzetti, un affresco della Sala dei Nove nel Palazzo Pubblico di Siena.

Invece le prime notizie documentate della presenza sulle navi di una clessidra (marine sandglass) si ritrovano negli inventari di bordo di unità del XIV secolo, ma con molta probabilità erano in uso già molto tempo prima.
Ne esistevano di varie dimensioni e quindi diverso intervallo e diversa accuratezza e quindi costo.
Vi erano clessidre da 4 ore, alte anche 60 cm, da mezz’ora di circa 30 cm e quelle da mezzo minuto e anche meno, di circa 12 cm.
L’accuratezza dipendeva sia dalla precisione di costruzione sia , soprattutto, dal tipo di sabbia impiegata. Limatura di ferro o guscio d’uovo in polvere, erano le sostanze delle clessidre più economiche, molto sensibili alla salsedine e all’umidità, mentre gli orologi più accurati prevedevano polvere di marmo macinata finemente in un mortaio, quindi bollita nel vino, essiccata, rimacinata e setacciata nove o dieci volte.
In ogni caso la precisione era piuttosto scarsa tanto da ricorrere alla media di due o tre clessidre girate contemporaneamente e non mancarono tentativi di miglioramento come quello di Daniel Bernoulli (1700-1782) di una clessidra sferica con fori distribuiti uniformemente allo scopo di avere uno scorrimento della sabbia il più uniforme possibile anche con diverse inclinazioni della nave.

La clessidra da mezz’ora, posta di lato alla bussola, veniva prontamente voltata dal timoniere. Otto ampollette, così era chiamato tale orologio (in igl. glass), costituivano una guardia (quattro ore). Al termine di ogni mezz’ora era anche rilevato e segnato sul giornale di chiesuola quelli che nell’800 erano detti arie di vento, una delle trentadue divisioni della rosa dei venti per poter calcolare la rotta.
Invece le ampollette più piccole da 30 s e anche meno erano impiegate per valutare la velocità della nave, un dato importante quanto conoscere la rotta indicata dalla bussola, informazioni che, insieme alla stima dello scarroccio e agli effetti delle correnti, permettevano di ottenere il punto stimato (dead reckoning).
Per una misura precisa della velocità erano impegnati due marinai, sincronizzati con opportuni comandi vocali: mentre uno controllava lo scorrere della sabbia l’altro contava lo scorrere dei nodi della sagola della barchetta filata fuori bordo.

L’informazione di velocità veniva quindi annotata, insieme agli altri dati di navigazione, sul giornale di bordo (logbook in ingl. tanto che la clessidra impiegata era detta log glass).

Tra le espressioni marinaresche che fanno riferimento alla clessidra vi era quella dei timonieri che mangiavano la sabbia quando per andare a mangiare o a dormire giravano l’ampolletta prima del tempo.