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In passato la misura dello scorrere del tempo era ottenuta principalmente con la clessidra che nell’arco della giornata doveva essere sincronizzata con l’ora locale astronomica, quella indicata dal Sole di giorno o dalle stelle di notte.
Di giorno, se il cielo non era coperto, si ricorreva al passaggio al meridiano del Sole, mentre di notte si impiegava un orologio notturno noto come notturlabio, notturnale in italiano, nocturnal, nocturne in inglese o nocturlabe in francese.

La prima descrizione dello strumento si deve al maiorcano Raimondo Lullo (1232-1316) che lo definisce astrolabium nocturnum o sphaera horarum noctis, ma il suo maggiore impiego si ebbe con il ‘500, soprattutto nel Mediterraneo, per essere poi abbandonato con l’avvento del cronometro marino intorno alla metà del XVIII secolo.

Comunemente fatto di ottone o legno, quest’ultimo più diffuso per il minore costo, consisteva di tre parti: un cerchio più grande dotato di manico per sostenerlo, fornito lungo il bordo dei mesi e giorni dell’anno; un cerchio più piccolo riportante le ore, chiamato volvella, e un regolo chiamato braccio o alidada. Volvella e braccio erano tenuti insieme, con la possibilità di ruotare, al disco più grande da un perno o rivetto centrale dotato di foro attraverso il quale veniva traguardata la Polare.

Numerosi furono i tipi prodotti, da quelli in cui la volvella riportava soltanto le ore notturne o era suddivisa in due gruppi di 12 ore, in qualche modello con i segni delle 12 individuabili al tatto per facilitarne il riconoscimento notturno. Il disco primario poteva includere, come in molti notturlabi del ‘500, anche una scala dei 12 segni dello Zodiaco e, a conferma di un secolo di superstizioni, i costruttori non disdegnavano di annotare giorni buoni e giorni cattivi. Non era rara la presenza di un secondo cerchio situato nella parte posteriore dello strumento sul quale erano disegnate alcune costellazioni come un planisfero.

Il principio di base del notturlabio è il moto apparente nelle 24 ore delle costellazioni intorno al polo, individuabile approssimativamente con la Polare, che abbiano però la caratteristica di non tramontare mai alla latitudine dell’osservatore, cioè siano circumpolari.
Dopo aver posizionato l’indice della volvella al giorno di osservazione, il navigante, mentre puntava la Polare attraverso il foro centrale, allineava il braccio secondo la linea Polare-Kochab, la seconda stella più luminosa della costellazione dell’Orsa Minore, circumpolare già alla latitudine di 15° N. L’ora veniva quindi letta dalla posizione assunta dal braccio sulla volvella. Nell’evoluzione comparvero notturnali con la volvella fornita di doppio indice per permettere la misura anche con l’allineamento della coppia di stelle Dubhe e Merak dell’Orsa Maggiore, circumpolari da 33° N.
L’impostazione del giorno di osservazione era dovuto alla necessità di sincronizzare le stelle prese come riferimento, ad esempio le guardie Dubhe e Merak, con l’orario del Sole. Infatti mentre l’ascensione retta, una delle due coordinate celesti indipendenti dal moto della sfera celeste e dalla posizione dell’osservatore, per le stelle varia pochissimo nel tempo, per il Sole, a causa del moto di rivoluzione della Terra, varia nell’arco dell’anno.
Così esiste un periodo (inizi di settembre per l’Orsa Maggiore e novembre per l’Orsa Minore) in cui le stelle passano al meridiano superiore a mezzanotte, cioè quando il Sole è contemporaneamente all’antimeridiano. In tale periodo l’osservatore può valutare le ore prima e dopo la mezzanotte dalla posizione delle guardie rispetto al meridiano. Dopo un mese il passaggio al meridiano anticiperà di 360°/12 mesi = 30°, pari a 2 ore, mentre dopo 15 giorni l’anticipo sarà di 1 ora.

A un valido principio teorico si contrapponevano diverse cause di errore tra cui le difficoltà di traguardare dal ponte di una nave in movimento la Polare e contemporaneamente prendere l’allineamento delle stelle con l’alidada e per l’imperfezione dei riferimenti sui cerchi dello strumento. Nonostante ciò la maggior parte dei piloti erano in grado di utilizzare il notturlabio con un errore sulla misura del tempo di +/- 15 minuti.

John Davis (c.a. 1550-1605) fu un navigatore inglese che nel 1585, nel trovare un passaggio occidentale per l’Asia (il noto passaggio a nord ovest), dopo 50 anni dal francese Jacques Cartier (1491-1557) che non si spinse a latitudini oltre lo stretto di Belle Isle, tra la penisola del Labrador a nord e l’isola di Terranova (Newfoundland) a sud, giunse con due piccole navi, il Sunshine di 50 ton e il Moonshine di 35, a circa 70° nord, scoprendo, a sud ovest della Groenlandia, lo stretto che porta il suo nome.

Davis è principalmente noto per aver concepito uno strumento di navigazione con cui era possibile, a differenza dell’astrolabio e della balestriglia, misurare l’altezza del Sole senza osservarlo, prevenendo così i conseguenti problemi visivi. Lo strumento, presentato nella sua opera The Seaman’s Secret del 1594, ebbe per molti anni le denominazioni più diverse: backstaff (per sottolineare la misura effettuata con le spalle al sole), crossstaff, quadrante inglese o quadrante nautico, creando confusione con altri strumenti di uguale denominazione e, finalmente 80 anni dopo la morte del suo autore, quadrante di Davis (Davis quadrant).

Nella versione più evoluta era costituito da due settori circolari graduati di diverso raggio con centro all’estremità anteriore dell’asta, dove trovava posto un traguardo dell’orizzonte; quello di raggio maggiore, il settore di osservazione (sight arc), misurava in genere 30°, mentre quello di raggio minore, il settore dell’ombra (shadow arc), misurava 60° (per un totale di 90° da cui la caratteristica di quadrante).
L’osservatore, con le spalle al Sole, tenendo verticale lo strumento, regolando i mirini scorrevoli sui due archi faceva in modo che il sottile raggio di Sole, proveniente dal mirino del settore d’ombra, coincidesse con la linea dell’orizzonte vista dagli altri mirini. Sommando i valori letti in corrispondenza dei mirini dei due settori ricavava direttamente la distanza zenitale (il complemento dell’altezza dell’astro) che per il sole al meridiano (in culminazione) corrisponde alla latitudine del luogo, dopo averla corretta della declinazione alla data di osservazione. Realizzato in legno con incastri che davano robustezza e stabilità, fu integrato, agli inizi del ‘700, con un sistema ottico capace di concentrare i raggi luminosi per una migliore precisione di misura e per facilitare le osservazioni anche in giornate di sole velato.
In effetti tale strumento, che si affiancava agli altri strumenti a visione diretta, subì miglioramenti tecnologici fino agli inizi del ‘700, un progresso tanto importante da rimanere in uso anche dopo l’invenzione del primo strumento a riflessione, l’ottante (entrato in uso intorno al 1750).
Il capitano Davis morì ucciso dai pirati giapponesi a Bintang, presso Singapore.

Noto in inglese come cross staff, in francese arbalestrille e balestilla in spagnolo, da cui l’equivalente termine italiano, fu uno strumento astronomico descritto per la prima volta nel 1328 dall’astronomo ebreo catalano Levy Ben Gerson (1288-1344), tanto da essere chiamato dai cristiani anche bastone di Giacobbe (Jacob staff in ingl.). Fu inizialmente impiegato nelle osservazioni dei fenomeni celesti: l’astronomo tedesco Johannes Müller (1436-1476), meglio conosciuto oggi come Regiomontano, lo utilizzò per misurare il diametro di una cometa comparsa nel 1472 che 210 anni dopo sarà conosciuta come cometa di Halley.

Introdotto sulle navi nella prima metà del ‘500, ad opera dei portoghesi che la chiamavano tavoletas da Índia, facendoci supporre una sua origine orientale, consisteva di un’asta di olmo o bosso a sezione rettangolare lunga 1,5-1,8 m, fornita di una gradazione, su cui poteva scorrere una traversa, il martello, la cui estremità superiore serviva a traguardare un corpo celeste mentre con l’estremità inferiore veniva traguardato l’orizzonte.

In principio l’asta era fornita di un solo martello poi, per poter ridurre la lunghezza del bastone al fine di rendere più stabili le osservazioni su una nave in movimento, lo strumento venne accorciato e corredato fino a 4 traverse, dette dei 10°, 30°, 60° e 90°, scelte in relazione alla massima ampiezza angolare da misurare.

Con il sole si poteva impiegare la tecnica di far scorrere la traversa fino a proiettare l’ombra della sua estremità superiore sul martello più piccolo fissato all’estremità inferiore dell’asta. In tal modo si evitava di rimanere troppo a lungo ad osservare direttamente l’astro con conseguenti immaginabili danni alla vista. Qualche autore consigliava anche l’uso di un vetro fumè o di traguardare il lembo superiore dell’astro apportando una correzione di mezzo diametro apparente (15″).

Come qualunque strumento di misura anche la balestriglia è affetta da errori, tra cui quello noto in fisica come errore di parallasse, posto in evidenza dal matematico e astronomo inglese Thomas Harriot (1560-1621), amico di Sir Walter Raleigh (1552-1618), navigatore, corsaro e poeta inglese. L’errore è dovuto al diverso punto di vista che si può assumere nell’osservare la stella nell’atto della misura, come quando la traversa non è perfettamente verticale (in una bilancia con ago, ad esempio, quando la lettura non è effettuata verticalmente all’ago). Un altro errore dipendeva dalla necessità di ottenere contemporaneamente l’allineamento del sole e dell’orizzonte.

La principale limitazione era quella di non essere utilizzabile se l’altezza del sole o della stella era inferiore a 20 ° o superiore a 60 °. Ciò significava che il bastone di Giacobbe era inutile nella fascia equatoriale compresa tra 20 ° di latitudine nord e 20 ° di latitudine sud in qualsiasi periodo dell’anno a causa dell’elevata altezza del sole.
In ogni caso la balestriglia rimase in uso per quasi tutto il ‘700.

Il quadrante, detto così per la sua forma di quarto di cerchio, la cui origine si fa risalire all’epoca dei Caldei e Babilonesi (IX sec. a. C.), fu impiegato per misurare l’altezza di un astro o la distanza angolare tra due corpi celesti. Tolomeo (I- II sec. d. C.) lo descrive nel suo Almagesto e a quanto pare era lo strumento già impiegato da Ipparco di Nicea (II sec. a.C.) ed Eratostene (III sec. a.C.) nelle loro osservazioni astronomiche. Strumento fondamentale dell’astronomo dell’antichità era fisso e spesso di grandi dimensioni.
Una versione più semplice fu introdotta a bordo solo nel ‘300, importata in Spagna dagli arabi, anche se i quadranti più antichi portati alla luce dai ritrovamenti archeologici sono databili intorno al 1460. In tali strumenti non appaiono le tipiche suddivisioni in gradi dei quadranti successivi (1480) ma piuttosto i valori delle latitudini delle destinazioni più comuni.
A tal proposito occorre tenere presente che solo all’inizio del ‘400 i portoghesi scoprirono che l’altitudine del sole a mezzogiorno o della stella polare di notte poteva essere convertita, con una semplice operazione matematica, in gradi di latitudine terrestre, l’angolo variabile tra 0° all’equatore e 90° al Polo Nord. Nel 1415 gli astronomi insegnarono ai piloti, inviati dal principe Enrico il Navigatore alle scoperte oltre il Mediterraneo, come usare il quadrante per ricavare la latitudine in mare.

Quello di bordo era uno strumento essenziale, naturalmente mobile potendo ruotare così da traguardare l’astro, attraverso due mirini posti su un lato, leggendo poi il valore dell’angolo di altezza rispetto all’orizzonte dall’indicazione fornita da un filo a piombo sulla parte curva del settore graduato da 0° a 90°. Fu proprio la sua semplicità a favorirne la diffusione a bordo fino a tutto il ‘400, ma anche oltre: Colombo lo descrive alla data del 23 febbraio del 1493 del giornale di bordo del suo primo viaggio. Si comprende che la precisione dello strumento era influenzata, tra l’altro, dalle sue dimensioni e delle inevitabili oscillazioni del filo a piombo causate dal vento e dal movimento della nave. Non era raro che una seconda persona eseguisse la lettura mentre la prima si concentrava sull’osservazione.

Nel 1610 Galilei scoprì che intorno a Giove ruotano quattro lune che presentano i tipici fenomeni dei satelliti.
Dopo successive osservazioni ebbe chiara la possibilità di utilizzare quei fenomeni per calcolare la longitudine in mare aperto in sostituzione delle rare eclissi di Luna, un metodo risalente a Ipparco applicabile solo sulla terraferma.

L’esigenza di determinare la longitudine a bordo di una nave era la diretta conseguenza dell’intensa crescita delle navigazioni oceaniche, un’esigenza di tali proporzioni da aver spinto diverse nazioni ad offrire cospicui compensi a chi avesse fornito un metodo praticabile ed efficace per la sua determinazione in mare aperto.

Galilei intraprese lunghe trattative prima con gli spagnoli e poi con gli olandesi, ma l’impraticabilità del metodo a bordo di una nave in movimento, per cui lo scienziato pisano ideò un particolare elmetto dotato di cannocchiale, il celatone, che comunque si rilevò inadatto, non trovò applicazione in mare. Il metodo comunque fu applicato per molti anni dalla morte di Galilei nel 1642 per il miglioramento della cartografia, un passo importante e necessario all’introduzione del cronometro marino alla metà del ‘700.

Disponibile un approfondimento nella relativa sezione di narraremare.

L’immagine rappresenta uno stralcio di una delle carte batimetriche compilate nel periodo 1853-55 dallo United States Navy’s Dept of Charts and Instruments (oggi del Naval Oceanographic Office), all’epoca diretto dallo statunitense Matthew Fontaine Maury (1806 – 1873) considerato uno dei fondatori della moderna oceanografia.
Le operazioni di misure di profondità particolarmente elevate richiedevano una maestria ed una pazienza non indifferenti. Ogni 100 miglia, se non vi erano forti variazioni del fondale, altrimenti la distanza veniva ridotta, l’unità oceanografica cercava di mantenere una posizione fissa, eventualmente con macchine al minimo e possibilmente con prua o poppa al vento per contenere al minimo un possibile scarroccio.

I rilievi furono eseguiti con un tipo di scandaglio a sagola che prese il nome del suo ideatore, l’ufficiale di marina John Mercer Brooke, di cui si vede un esemplare a destra nell’immagine, le cui caratteristiche erano la semplicità, lo sgancio del peso appena giunto sul fondo e il prelievo di un piccolo campione a riprova dell’avvenuto contatto.
Per le navi a propulsione meccanica il rullo sul quale era colta la cima si trovava a prua, fornita di appositi dispositivi per guidare la linea e ridurre i fastidiosi effetti del beccheggio. Per le unità a vela si preferiva trasferire il rocchetto su una barca a remi in grado di mantenere più facilmente una posizione verticale della linea di scandaglio.

Durante la discesa, che poteva avvenire in pochi minuti, si contavano le marche intervallate di 50 braccia (91 m). L’addetto controllava attentamente il tempo di scorrimento delle marche per rilevare, con una sensibilità maturata nel corso di una lunga esperienza, l’arrivo sul fondo. La notevole quantità di cima impediva di riconoscere l’arrivo sul fondo dall’imbando della sagola come avveniva per le misure delle profondità sulle navi nella navigazione costiera. Era pertanto messo in conto l’eventualità di ripetere più volte la misura.

Le carte batimetriche volute da Maury rappresentano le prime di un oceano anche se i valori riportati non sono molto attendibili, come era convinto lo stesso Maury. D’altra parte una sagola di circa 3500 m (2000 braccia) presenta un allungamento non inferiore ai 100m che può ritenersi una buona approssimazione su tali profondità, ma senz’altro ha avuto la sua influenza nel riconoscere l’arrivo del peso sul fondo del mare. In ogni caso, dai rilievi effettuati, Maury ebbe la possibilità di rendersi conto della presenza nel nord Atlantico di una piattaforma continentale compresa tra l’Europa e l’America con minori profondità rispetto ad altre parti dell’oceano. Ipotizzando che tale zona poteva essere il percorso di un cavo telegrafico, chiamò quella piattaforma Telegraph Plateau (leggibile in alto nell’immagine riportata), che diverrà la scelta della prima impresa di posa di un cavo transatlantico nel 1858. Qualche anno dopo entrò in uso una variante di scandaglio, quello Walker, un miglioramento di un precedente scandaglio, quello di Murray. Nel 1870, il miglioramento della tecnologia dei metalli permise di fare un ulteriore passo avanti con la sostituzione della sagola in fibra con una fune in acciaio capace di contenere l’inconveniente degli allungamenti.

Scandaglio Meccanico Walker

Scandaglio meccanico – Agli inizi dell’800 la flotta inglese era la più numerosa al mondo, con oltre 450 unità, tra navi di linea e naviglio minore, rispetto alle quasi 100 unità di quella francese. Una delle cause di perdita di navi era dovuta alla navigazione su bassi fondali, soprattutto in quelle zone del nord Europa dove spesso la visibilità della costa è ridotta da nebbia o foschia e le maree sono piuttosto ampie.

Una così numerosa flotta richiedeva equipaggi numerosi tanto da spingere diversi Paesi all’arruolamento forzato o a leve incentivate da premi. Pochi erano i marinai di formazione o che si imbarcavano per scelta.

Lo scandagliamento ottenuto con il classico scandaglio, costituito da un peso assicurato ad una sagola, non è un’operazione semplice, occorre attenzione, equilibrio (in genere occorreva stare su una tavola fuori bordo), riconoscere le marche anche al buio, saper contare. Non era così improbabile che chi veniva incaricato di scandagliare fosse un contadino, un galeotto, un ubriaco o un analfabeta. La Royal Navy, consapevole di tutto ciò diede piena responsabilità agli ufficiali di guardia che potevano rischiare di essere deferiti alla corte marziale in caso di incaglio.

Per cercare di rendere più veritiera la misura dei fondali, nel 1808 il Board of Longitude, l’ente governativo britannico fondato nel 1714 allo scopo di risolvere il problema della longitudine in mare, assegnò all’orologiaio inglese Edward Massey la fornitura di un nuovo tipo di scandaglio dotato di un meccanismo con cui era possibile registrare la misura del fondale durante la discesa del peso in maniera che una volta riportato a bordo l’ufficiale di guardia era in grado di leggerne il valore, riportandolo sul giornale di bordo. Successivamente, nel 1860 tale scandaglio Massey fu sostituito da un nuovo scandaglio che, pur funzionante secondo lo stesso principio, era più semplice ed affidabile. Il nuovo strumento fu realizzato da un altro artigiano inglese, Thomas Walker, in origine costruttore di stufe.

Dall’immagine si comprende il funzionamento: durante la discesa sul fondo l’arpionismo D è mantenuto alzato per la spinta esercitata dall’acqua permettendo al rotore B di ruotare facendo avanzare le due rotelline graduate A poste su entrambe le facce, una per misure fino a 30 piedi e l’altra fino a 150. Raggiunto il fondo l’arpionismo si porta in basso bloccando il movimento della ventolina durante la risalita. Giunto a bordo l’ufficiale era in grado di leggere il fondale dalle due rotelline dello strumento.

Da allora la ditta inglese Walker ha costruito numerosi strumenti nautici fino alla metà del ‘900 ed è famosa soprattutto per aver introdotto il primo solcometro meccanico, noto come Harpoon (arpione), in sostituzione del solcometro a barchetta.

Squadra zoppa

Squadra zoppa – Particolare solcometro, probabilmente di origine olandese, costituito da tre aste disposte secondo un triangolo rettangolo in cui l’ipotenusa poteva ruotare intorno a un perno per adattare la squadra all’altezza dalla superficie dell’acqua.

Dal vertice O veniva osservata un’onda o una spuma passare successivamente sotto le visuali OAC e OBD in corrispondenza dei prolungamenti del cateto verticale e dell’ipotenusa rispettivamente. Dal conteggio dei passaggi per un periodo di 30 secondi (corrispondente a 1/120^mo di ora), fornito da un apposito orologio a sabbia (clessidra), si ricavava la velocità della nave. L’inclinazione dell’asta di ipotenusa veniva stabilita in maniera che la lunghezza del tratto di misura sull’acqua fosse sottomultiplo di 1/120^mo di miglio (15,4 m). La regolazione, effettuata solo una volta per quella nave, avveniva misurando prima l’altezza dall’acqua del vertice O quindi si posizionava l’inclinazione in base alle graduazioni sulle aste dei cateti. Il principio comunque è quello della similitudine dei triangoli OAB e OCD per cui a un ben definito valore di CD corrisponde una sola inclinazione dell’asta. Per poter avere valori dell’angolo al vertice O tali da consentire un’agevole lettura, CD veniva assunto pari a 1/10 di 15,4 m. In tal caso se nei 30 sec l’addetto alla misura (“al contar il camino”) osservava 35 passaggi, la nave procedeva a 3 nodi e mezzo.

Lo strumento è descritto nel libro Introduzione all’Arte Nautica del 1715 pubblicato a Venezia da Girolamo Albrizzi che ne consiglia l’uso come preferibile rispetto alla “passeretta”, più nota come barchetta, che comunque prevalse anche perché permetteva misure pure in assenza di luce.

Solcometro

Solcometro e scandaglio – Nella tavola è illustrato il solcometro a barchetta, noto anche come barchetta o passeretta, costituito da un settore circolare di legno duro (barchetta), zavorrato lungo il bordo da una striscia di piombo e collegato ad una sagola, avvolgibile intorno ad un tamburo (molinello), tramite una patta d’oca eseguita con i tre legnoli della sagola stessa. Due dei tre legnoli erano assicurati da cavicchi di legno. La barchetta veniva lanciata in mare da poppa (fuori della scia) e poiché si disponeva in posizione verticale era, con buona approssimazione, fissa rispetto alla superficie dell’acqua. Si filava la sagola per 30 s (=1/120 di ora), contando le singole suddivisioni (marcate da cordicelle annodate, da cui il termine nodo come unità di misura della velocità) della cima che scorreva fuori bordo. Ogni suddivisione era pari a m 15,43 (=1/120 di miglio marino): il numero dei nodi filati nell’intervallo suddetto indicava la velocità in miglia/ora della nave. Per recuperare la barchetta a fine misura si dava un forte strappo alla sagola per cui i cavicchi uscivano dai fori consentendo alla barchetta di disporsi orizzontalmente, recuperandola. I valori misurati venivano poi corretti per tenere conto che la barchetta non rappresentava un vero punto fisso. – tavola tratta da: Text-book of Seamanship del 1891.