Clicca qui
per inviarmi
un tuo lavoro
da pubblicare

La Bussola
Una completa ed interessante introduzione alla storia e al funzionamento della bussola.
di Luca Bazzan

• La Bussola

  • INTRODUZIONE

  • BUSSOLA MAGNETICA

  • GIROBUSSOLA

• Giroscopio

  • INTRODUZIONE

  • INERZIA

  • PRECESSIONE

  • APPLICAZIONI DEL GIROSCOPIO

• Rosa dei venti
• Foucault, Jean-Bernard-Léon

INTRODUZIONE

Bussola Strumento di orientamento, utilizzato per individuare la direzione rispetto a un riferimento noto. I due tipi principali di bussola sono la bussola magnetica, già conosciuta nel XIII secolo, e la girobussola o bussola giroscopica, sviluppata all'inizio del XX secolo. Nella bussola magnetica, la direzione viene indicata mediante uno o più aghi magnetici che, sotto l'influenza del campo magnetico terrestre, puntano verso il Polo Nord magnetico. La girobussola, invece, non risente del magnetismo terrestre perché sfrutta il moto di rotazione della Terra intorno al proprio asse. Ideata da Jean-Bernard-Léon Foucault, essa è costituita principalmente da un sistema giroscopico che, essendo soggetto a una coppia che mantiene l'asse di rotazione in un piano orizzontale, tende a collocare tale asse sulla linea nord-sud parallela all'asse di rotazione terrestre, indicando così il Polo Nord geografico.

BUSSOLA MAGNETICA

Nella sua forma più semplice, la bussola magnetica è costituita da un ago magnetico, libero di ruotare su un piano orizzontale, montato su un perno posto al centro di un quadrante circolare chiamato rosa (nome derivato dalla rosa dei venti), suddiviso in 360 gradi.
Le bussole nautiche magnetiche sono equipaggiate con più aghi magnetici paralleli fissati sulla faccia inferiore della rosa, che è libera di ruotare sul proprio asse all'interno di un involucro di bronzo, detto mortaio, chiuso da un coperchio di vetro. Le bussole nautiche sono montate su sospensioni cardaniche in modo che la rosa sia sempre in posizione orizzontale, per ridurre gli effetti del rollio e del beccheggio della nave.
Nella bussola a liquido, il tipo più stabile di bussola nautica, il mortaio è riempito con una miscela di alcol e acqua, nella quale la rosa galleggia e ruota intorno al proprio asse. Il liquido alleggerisce il peso della rosa sul perno, che così è soggetto a un attrito minore, ma soprattutto smorza le oscillazioni provocate dal movimento della nave, per cui questo tipo di bussola è preferito alla bussola a secco. In entrambi i tipi, la lettura della direzione si esegue per confronto della posizione della rosa rispetto a una linea nera (detta linea di fede) tracciata sul diametro del coperchio di vetro.
L'ago della bussola si orienta esattamente verso il nord magnetico soltanto se sulla nave non si verificano fenomeni magnetici e se nelle vicinanze dello strumento non vi sono masse di acciaio, o in generale di materiale ferromagnetico. Per evitare la deviazione dell'ago a causa di influenze esterne, la bussola è montata su una colonnina (detta chiesuola), saldamente fissata alla struttura della nave, all'interno della quale si trovano dei magneti compensatori.
Un altro possibile errore è dovuto alla variazione della declinazione magnetica, ossia dell'angolo tra meridiano geografico e meridiano magnetico. La declinazione magnetica subisce variazioni quantitative, direzionali e temporali note per la maggior parte delle località terrestri, e quindi registrate sulle carte nautiche, ma in occasione di tempeste magnetiche essa subisce anche variazioni temporanee e imprevedibli, soprattutto a latitudini elevate.

GIROBUSSOLA

La bussola giroscopica, che comprende uno o più giroscopi, viene installata su grandi unità navali. Il suo principio di funzionamento segue quello del giroscopio: una trottola in rapida rotazione tende ad allineare il suo asse di rotazione a quello terrestre. A differenza della bussola magnetica, essa punta verso il nord geografico e, non risentendo della presenza del campo magnetico terrestre, non è soggetta agli errori di deviazione e a quelli dovuti alla variazione della declinazione magnetica. Nello strumento sono previsti dispositivi di correzione della deriva verso est, associata al moto di rotazione terrestre, e degli errori di velocità e di rotta. In genere, sulle navi oceaniche la girobussola è collegata elettricamente al pilota automatico, lo strumento di governo automatico della nave, al quale invia segnali per il costante mantenimento della rotta.
Le bussole utilizzate nella navigazione marittima non sono adatte alla navigazione aerea, soprattutto a causa delle improvvise virate e delle rapide variazioni di velocità tipiche degli aeroplani. Le bussole di uso aeronautico dispongono di unità direzionali magnetiche stabilizzate mediante pendoli e giroscopi e sono note come bussole girostabilizzate. In questi strumenti, che funzionano sul principio dell'induzione elettromagnetica, il magnetometro sensibile alla direzione è costituito da bobine a induzione e dispositivi predisposti in modo che le variazioni direzionali risultino proporzionali alla tensione indotta dalla variazione di flusso del campo magnetico terrestre, la quale può così essere utilizzata per attivare a distanza degli indicatori di direzione.

 Giroscopio

INTRODUZIONE

Giroscopio Qualunque sistema fisico dotato di una simmetria di rotazione intorno a un asse. Con il termine giroscopio si indica comunemente un corpo di forma sferica o di ruota o di disco, montato su sospensione cardanica in modo da poter ruotare in qualunque direzione. Le caratteristiche fondamentali di un sistema di questo tipo sono l'elevata inerzia, ovvero la permanenza dell'asse di rotazione, e la precessione, ovvero la tendenza dell'asse di rotazione a disporsi ad angolo retto rispetto al piano individuato dall'asse stesso e da una qualsiasi forza a esso applicata, e che consiste sostanzialmente in un lento moto conico dell'asse. Queste due proprietà sono comuni a qualunque corpo in rotazione intorno a un asse di simmetria, compresa la Terra. Un giroscopio vincolato a mantenere costante la direzione del proprio asse di rotazione viene detto talvolta girostato: in quasi tutte le applicazioni pratiche, il giroscopio funziona appunto in questo modo. Il prefisso "giro" viene d'abitudine aggiunto al nome dell'applicazione come, ad esempio, "girobussola", "girostabilizzatore" e "giropilota".

INERZIA

La stabilità nello spazio dell'asse di un giroscopio è una conseguenza dei principi della dinamica. Una volta messo in rotazione, in assenza di forze esterne, un giroscopio tende a mantenere fissa nello spazio la direzione del suo asse di rotazione. In altre parole è caratterizzato da un'inerzia elevata e per deviare l'asse dalla direzione originale occorre applicare una forza di intensità nettamente maggiore di quella che sarebbe sufficiente se il sistema fosse fermo. Questa situazione può essere osservata ad esempio nel moto di una comune trottola, soggetta alla forza di gravità. La permanenza dell'asse nello spazio è inoltre particolarmente evidente in un modello di giroscopio consistente in un volano con sostegno ad anelli, tale che l'asse possa assumere qualunque orientazione nello spazio. Comunque si disponga il modello, girandolo o inclinandolo, il volano effettuerà il suo movimento nel piano di rotazione iniziale, almeno finché la velocità di rotazione è sufficiente a vincere l'attrito dei perni.
I giroscopi trovano importanti applicazioni nei sistemi di navigazione automatica o di guida inerziale, in aeroplani, veicoli spaziali, missili guidati, razzi, navi e sottomarini. Gli strumenti di guida inerziale di questi sistemi comprendono giroscopi e accelerometri, che misurano continuamente la velocità e la direzione del veicolo in movimento e inviano segnali a un computer, che registra e compensa gli eventuali sensibili scostamenti dai valori prefissati. Nei missili e in apparecchi di volo sofisticati, i dispositivi propriamente inerziali sono stati sostituiti dai cosiddetti giroscopi-laser, che misurano le variazioni indotte in due raggi laser – ruotanti in senso opposto – dalle variazioni di direzione del veicolo. Un altro sistema avanzato, chiamato giroscopio a sospensione elettrica, fa uso di una sfera cava di berillio sospesa in una culla magnetica.

PRECESSIONE

Se si applica una forza all'asse di rotazione per mutarne la direzione, esso tende a disporsi lungo la direzione perpendicolare al piano individuato dalla forza applicata e dall'asse medesimo; quest'ultimo si mette quindi in moto, descrivendo un cono ideale. Il movimento, detto precessione, è dovuto all'azione congiunta della forza applicata e del momento angolare del corpo in rotazione.

APPLICAZIONI DEL GIROSCOPIO

L'elevata inerzia dell'asse di rotazione e la forza di gravità vengono sfruttate per utilizzare un giroscopio come indicatore di direzione o bussola. Brevemente, se immaginiamo di porre un giroscopio sull'equatore, montato con l'asse orizzontale di rotazione in direzione est-ovest, esso continuerà a indicare l'equatore, mantenendo la medesima direzione nello spazio, mentre la Terra ruota da ovest verso est: di conseguenza, l'estremo est dell'asse si muoverà verso l'alto rispetto al suolo. Se alla struttura portante del giroscopio si applica un tubo, parzialmente riempito di mercurio, in modo che subisca la stessa deflessione dell'asse del giroscopio rispetto al suolo, il peso del mercurio, che si accumula verso l'estremo più basso (ovest), applica una forza verticale all'asse del giroscopio. Il giroscopio tende a resistere a questa forza, e precede intorno al suo asse verticale, verso il meridiano. Nella girobussola le forze di controllo sono applicate automaticamente con intensità e direzione opportune, in modo che l'asse del giroscopio mantenga la direzione del meridiano, vale a dire punti fra nord e sud.
Le girobussole sono ormai montate su tutte le navi del mondo. Esse sono esenti dalle anomalie delle bussole magnetiche; indicano il nord geografico invece del nord magnetico e hanno abbastanza stabilità da rendere possibile il governo di apparecchi ausiliari come registratori di rotta, giropiloti e bussole ripetitrici. Il giropilota da marina non ha un proprio giroscopio, ma acquisisce elettricamente qualunque scostamento dalla rotta prestabilita rilevata dalla girobussola; questi segnali elettrici sono amplificati e applicati a un servomeccanismo che controlla il timone in modo che la nave riprenda la giusta rotta.

Rosa dei venti

Rosa dei venti Rappresentazione grafica, riferita al punto in cui si trova un osservatore, dei quattro punti cardinali (nord, sud, est e ovest) e dei quattro punti intermedi che individuano altrettante direzioni (nord-est, sud-est, sud-ovest e nord-ovest). Tra questi otto punti se ne possono rappresentare altri otto intermedi (nord-nord-est, est-nord-est ecc.) e così via. Per indicare con precisione una data direzione rispetto al nord (azimut), la si esprime in gradi angolari.
Questa rappresentazione, riportata tradizionalmente sulle carte nautiche (vedi Cartografia), faceva corrispondere ai quattro punti cardinali e ai quattro punti intermedi i nomi degli otto venti conosciuti da tutti i naviganti. I nomi dei venti sono: settentrione o tramontana (da nord), grecale (da nord-est), oriente o levante (da est), scirocco (da sud-est), mezzogiorno o austro (da sud), libeccio (da sud-ovest), occidente o ponente (da ovest) e maestrale (da nord-ovest).

Foucault, Jean-Bernard-Léon

Foucault, Jean-Bernard-Léon (Parigi 1819-1868), fisico francese. Il suo nome è legato alla misura della velocità della luce e alla prima prova fornita a dimostrazione della rotazione terrestre.
Foucault misurò la velocità della luce con un esperimento analogo a quello della ruota dentata, effettuato poco tempo prima da Armand Fizeau. Dimostrò inoltre che la velocità della luce dipende dal mezzo in cui si propaga e, in particolare, che è maggiore nell’aria di quanto non sia nell'acqua. Nel 1851 fornì la sua spettacolare dimostrazione della rotazione della Terra mediante un pendolo sospeso a un filo di acciaio nella cupola del Panthéon di Parigi: il peso del pendolo recava all’estremità inferiore uno stilo che segnava la traccia delle oscillazioni su un fondo di sabbia; nell’arco di una giornata, Foucault mostrò che la traccia non rimaneva sempre nella stessa posizione, ma compiva una rotazione completa; poiché in assenza di forze esterne il piano di oscillazione del pendolo deve rimanere sempre uguale a se stesso, la rotazione della traccia rappresentava una dimostrazione incontestabile della rotazione della Terra.
Nel campo dell’elettromagnetismo, Foucault fu uno dei primi scienziati a dimostrare l'esistenza delle correnti parassite (oggi note anche come correnti di Foucault) generate dai campi magnetici. Sviluppò inoltre un metodo di misurazione della curvatura degli specchi dei telescopi e ideò strumenti di vario genere, tra i quali un prisma polarizzante e il giroscopio, che è la base della moderna bussola giroscopica.