Come funziona una meridiana?

Prova a immaginare un mondo senza Internet. Questo è almeno un poco scomodo, vero? Ora, rimuovi i dispositivi mobili di qualsiasi tipo dall'equazione, insieme alle fotocamere digitali e alla tecnologia GPS.

Quando vai ancora oltre ed espelli orologi da polso e da parete dal mix, le cose iniziano a sentirsi quasi nel panico in fretta. È difficile credere oggi che fino all'inizio del 1800, il meridiana era stato il modo principale dell'umanità per tenere il tempo per migliaia di anni!

Quella roba è tutta preparata per la vera domanda, però: E se non potessi dire l'ora? Affatto? Come in, e se la vita non avesse un contesto per fissare l'intera nozione di "quando" in qualcosa che assomigli al senso immediato? (Un terrestre moderno è mal equipaggiato anche solo per affrontare questa domanda; probabilmente non è possibile per te purificare la mente dall'intero concetto di secondi, minuti e ore e dalla prevedibilità che offre l'intero schema del tempo strutturato.)

Ad un certo punto dell'evoluzione cognitiva umana, i tuoi antenati hanno sviluppato la capacità di associare fenomeni astronomici di routine, o almeno regolari, con il passaggio di fissi quantità di "tempo", qualunque e comunque abbiano concepito questa quantità (che ancora oggi sfugge a una descrizione adeguata anche se c'è un modo per spiegarla in matematica e fisica).

Esempi sono il sorgere e il tramontare del sole, delle stelle e della luna ogni giorno, le fasi lunari e il modo in cui il cielo scorre attraverso un preciso e prevedibile trasformazione ogni volta che la Terra completa un altro giro attorno al suo asse di rotazione (un "giorno") o un giro intorno al sole (un "anno").

In un dato stadio dell'evoluzione umana o pre-umana, la creazione di strumenti elaborati ha permesso ai tuoi antenati di accelerare la loro effettiva separazione dalle altre scimmie. I cervelli degli ominidi sono diventati abbastanza sofisticati da apprezzare la relazione temporale tra le inevitabilità fisiche nel loro ambiente e le realtà biologiche di cui avevano bisogno essere consapevoli, come il fatto che è più facile dormire "di notte" (cioè al buio) ma anche il fatto che certi pericolosi predatori si mettono in cerca di preda quando è buio.

Cos'è una meridiana? Formalmente, è un cronometro (cioè un orologio) che utilizza l'ombra prodotta dalla luce solare che cade su un'asta verticale per mostrare l'ora locale. Per ragioni che vedrai tra poco, la canna, chiamata a gnomone, deve essere posizionato parallelamente all'asse di rotazione della Terra e puntare verso una posizione nel cielo che corrisponde al nord, o il polo nord celeste (CNP).

Pertanto, a una data latitudine geografica, l'asta deve essere inclinata di un angolo rispetto all'orizzonte (cioè l'orizzontale) che è identico alla grandezza di quella latitudine.

Ad esempio, qualcuno che costruisce una meridiana a 40° di latitudine a Boulder, in Colorado, negli Stati Uniti, punterebbe al gnomone 40 gradi sopra il centro dell'orizzonte settentrionale, appena sotto la metà del punto direttamente sopra la testa (il zenit). Come forse saprai, poiché ci sono 360 gradi in un cerchio, un semicerchio come il cielo copre 180 gradi; questo significa che la distanza angolare da qualsiasi orizzonte allo zenit è la metà di questo, o 90 gradi.

• Nota: Le indicazioni in questo articolo sono rivolte ai lettori dell'emisfero settentrionale. Altri dovrebbero invertire le direzioni nord-sud quando si verificano situazioni che lo richiedono.

Avere una corretta conoscenza dei fatti di base della meridiana richiede la memorizzazione dei nomi di alcune parti non mobili, ma si spera che ti avvicini a questo pensando come un astronomo e ottieni un apprezzare non solo l'incredibile maestria artigianale di una meridiana di alta qualità, ma anche la scienza che ha permesso a questa classe di dispositivi di svolgere il loro unico, infinito lavoro per migliaia di anni di storia umana.

Durante la lettura di questo articolo sarai esposto a tutti i tipi di nuovi termini interessanti e sarai persino pronto a costruire la tua meridiana, che sia umile o elaborata, quando avrai finito. Ma la cosa più importante per te su cui cercare di concentrare il tuo pensiero qui sono le relazioni tra il eclittica, il equatore celeste, e il poli celesti.

Vedi, quando impari a conoscere le meridiane, non stai davvero imparando come creare uno strumento caratteristico, anche se affascinante, che non è più necessario grazie ai colossali e continui salti nella tecnologia umana. Ti stai affidando molto alla struttura stessa dell'astronomia: come gli oggetti sono localizzati ed etichettati, e come i cicli celesti che vedi e dai per scontati sono stati integrati anche nelle prime meridiane del 1500 a.C. o così.

I creatori originali della meridiana hanno riconosciuto la relazione tra la semplice geometria e il comportamento, o in particolare il apparente comportamento, degli oggetti nel cielo. La distinzione è importante, perché ai fini di una meridiana, la Terra è trattata come fissa, con altre cose che "sorgono" e "tramontano" e "attraversare il cielo" - descrizioni che hanno senso solo dal punto di riferimento di un osservatore terrestre e che spiegano perché gli antichi fatto comprensibilmente pensare che tutto nel cosmo ruoti letteralmente intorno alla Terra.

Il modo più semplice per immaginare il sistema utilizzato per mappare gli oggetti nel cielo è prendere quello usato qui sulla Terra (latitudine e longitudine) e immagina le linee immaginarie che vengono proiettate su una sfera immaginaria (in realtà un emisfero, poiché se ne vede solo la metà) nella cielo. Un piano disegnato attraverso il centro della Terra attraverso il suo equatore interseca questo sfera celeste in un cerchio, che si presenta come una linea chiamata equatore celeste.

Nel frattempo, un'altra linea circolare nel cielo è formata dall'estensione del piano di rivoluzione terrestre attorno al sole. Questa linea immaginaria si chiama eclittica, e rappresenta l'apparente percorso a 360 gradi del sole attraverso ogni anno rispetto alle lontane stelle sullo sfondo. Queste stelle apparire immobile rispetto al sole e ai pianeti, perché un modo per misurare il movimento di questi ultimi è trattare il primo come un sistema di riferimento "fisso".

• Durante un viaggio in macchina, cose lontane come nuvole e montagne lontane sembrano muoversi con te, anche se tu metti rapidamente la distanza orizzontale tra te e gli alberi, le mucche e altri oggetti che sono molto più vicini al carreggiata. Questo è vero anche se quelle montagne, come stelle lontane, si stanno infatti spostando rispetto alla propria posizione; stanno facendo così tanto, molto più lentamente.

Poiché l'asse di rotazione della Terra è inclinato di 23,4° dal suo piano di rivoluzione attorno al sole, l'eclittica e l'equatore celeste sono sfalsati (inclinati) di questa quantità. Ma si incontrano in due punti, come hula hoop intersecanti della stessa dimensione. Il sole segue l'equatore celeste in questi due giorni ovunque sulla Terra, sul equinozio di primavera (passaggio dall'inverno alla primavera nell'emisfero settentrionale) e il passaggio dall'estate all'autunno (equinozio d'autunno).

• La rotazione quotidiana della Terra e il fatto che nessuna stella sia visibile quando c'è il sole stesso rende difficile la visualizzazione dell'eclittica per un nuovo arrivato. Assicurati di consultare frequentemente i diagrammi mentre leggi delle meridiane!

Sulla Terra, le linee di latitudine sono parallele tra loro dall'equatore a entrambi i poli. Le linee nel cielo corrispondenti alle linee di latitudine sono chiamate linee di declinazionee stabilire la posizione dimensionale nord-sud.

Le linee di longitudine, d'altra parte, sono anche chiamate meridiani sulla Terra. Questi possono essere immaginati come irradiarsi verso l'esterno dai due punti formati dai poli celesti e incontrarsi di nuovo al polo opposto, sebbene nessun osservatore terrestre possa vedere entrambi i poli contemporaneamente. La linea che passa direttamente da nord sull'orizzonte attraverso lo zenit e verso sud sull'orizzonte opposto è conosciuta come "il" meridiano nel gergo celeste.

• Poiché il meridiano separa la sfera celeste nelle metà orientale e occidentale, svolge un ruolo fondamentale nella progettazione e nel posizionamento della meridiana.

Quando si identifica la posizione est-ovest nel cielo di un oggetto celeste, questa parte della coordinata è nota come ascensione retta.

Avrai sicuramente notato che quando il sole è vicino all'orizzonte (la mattina presto o il tardo pomeriggio), le ombre sono più lunghe di quando il sole è più direttamente sopra di te. Eppure il sole attraversa il cielo sempre alla stessa velocità, anche se le ombre cambiano dimensione e forma a velocità diverse.

Questo capriccio della geometria ispirò le prime meridiane, poiché i loro inventori si resero conto che il "tempo" poteva essere diviso in modo affidabile non solo in giorni ma in porzioni di un giorno. La maggiore facilità di programmare le attività della vita in un tale sistema è evidente.

Si ritiene che le prime meridiane risalgano all'Egitto, intorno al 1500 a.C. Alcuni di questi erano in realtà tascabili e potevano essere portati in giro, perché il gnomone (Greco per "palo") potrebbe effettivamente essere un foro stenopeico invece di un'asta. Erano diventati utili per il cronometraggio anche al minuto nel momento in cui gli orologi meccanici erano diventati comuni e affidabili, e furono usati fino al 1800 per controllare l'accuratezza degli orologi "reali".

Il gnomone è già stato menzionato. Deve avere due caratteristiche: deve puntare verso il polo celeste e deve essere inclinato rispetto all'orizzonte di un angolo esattamente uguale alla latitudine dell'osservatore. È spesso realizzato a forma di pinna.

Il quadrante è la superficie su cui si proietta l'ombra del sole. Può essere cilindrico o piatto e contrassegnato in qualsiasi divisione il suo creatore scelga purché si allineino con il tempo preciso.

Linee orarie si trovano per ragioni evidenti praticamente su tutte le meridiane e segnano punti esatti (sebbene scelti arbitrariamente, in un certo senso) nel tempo.

Il nodo è una tacca nello gnomone che consente di determinare una posizione precisa e netta lungo la linea dell'ombra, che altrimenti potrebbe essere sfocata.

Le meridiane possono essere divise in due tipi fondamentali, quadranti di altitudine e quadranti direzionali.

Un quadrante dell'altitudine permette di determinare il tempo usando la distanza del sole sopra l'orizzonte. In tutti i casi, questi devono essere orientati in una direzione bussola, mentre in altri il sole stesso è un punto di riferimento. I tipi selezionati includono quadranti piani, quadranti cilindrici, quadranti scaphe e quadranti ad anello.

UN quadrante direzionale si basa sull'azimut (direzione della bussola) e sull'angolo del sole mentre si avvicina al meridiano a mezzogiorno. I sottotipi includono quadranti orizzontali, verticali polari, azimutali ed equinottali.

In tutti i casi, puoi immaginare il sole che sorge e proietta un'ampia ombra da un lato che si restringe gradualmente fino a linea quando si avvicina mezzogiorno e poi ripete il "film" al contrario sull'altro lato del quadrante fino al tramonto si verifica.

I suggerimenti per creare la tua meridiana sono facili da trovare e uno per iniziare è incluso nelle risorse. Ricorda, non sono i materiali esatti o l'aspetto ornato della creazione che è più importante; è che capisci la fisica e puoi spiegarla a chiunque abbia il buon senso di chiederti del tuo duro lavoro.

Oh, e un ultimo consiglio: non scegliere un giorno di pioggia per la tua dimostrazione: questo renderà l'esercizio molto più "illuminante" per tutti i presenti!