Orologi Solari Direzionali

Questa definizione, cognata dall’amm. Girolamo Fantoni, pilastro portante della Gnomonica Italiana, identifica gli orologi solari dotati di gnomone polare. Sono orologi solari che hanno uno gnomone orientato come l’asse di rotazione terrestre. Riferirsi a detti orologi con la giusta definizione è assai importante poiché può essere causa di equivoco il fatto che tra gli orologi con stilo polare esiste la possibilità che anche il quadrante sia orientato in direzione denominata polare. La precisione delle definizioni sono pratica utile per raggruppare inequivocabilmente i diversi tipi di orologi solari sebbene comunemente accettata l’indistinta definizione degli orologi solari con il termine generico di meridiane.

Uno gnomone polare, orientato come l’asse terrestre, garantisce la proiezione dell’ombra sempre nella stessa direzione quando il Sole ha il medesimo angolo orario ossia alla stessa ora vera. Questa interessante caratteristica permette di tracciare orologi solari con linee orarie che per tutto l’arco dell’anno saranno, con qualunque declinazione di Sole, raggiunte dall’ombra alla stessa ora. Al Polo Nord il Sole si muove sulle orbite apparenti che girano attorno all’asse terrestre e ad uno gnomone verticale che abbia identico asse. L’orbita apparente del Sole muove con velocità angolare che copre costantemente 15° in un’ore ossia 360° in 24 ore. Pur cambiando la declinazione durante l’anno, il Sole, alla stessa ora ha lo stesso angolo orario  e pertanto in un piano contenente l’asse della Terra e che taglia il piano orizzontale con una retta. Questi Piani che partono dalla base dello gnomone ruotano ogni ora di 15° e rappresentano, per un orologio tracciato al Polo, le linee orarie. Il Sole al Polo ha praticamente altezza costante durante tutta la giornata e pertanto nessuna delle linee orarie può rappresentare il mezzogiorno e quindi le ore sono indistinguibili una dall’altra. La semplicità di tracciatura illustrata viene però ancora mantenuta se spostiamo l’orologio dal Polo a latitudini diverse avendo cura di mantenere il quadrante parallelo al piano equatoriale e lo gnomone diretto allo stesso modo dell’asse terrestre. Anche se ci allontaniamo dall’asse terrestre, data la grande distanza del Sole, potremmo sempre considerare l’orologio come se fosse posizionato al centro della Terra. Se operiamo un corretto posizionamento il nostro orologio sarà inclinato rispetto al piano orizzontale dell’osservatore e, nell’Emisfero Boreale, il quadrante forma un angolo verso Nord corrispondente alla colatitudine. Il quadrante dell’orologio, traslato dal Polo alla latitudine dell’osservatore, formerà con il piano orizzontale un angolo di 90°-w e nell’Emisfero Boreale risulterà sollevato verso Nord.

Il prolungamento dello gnomone fino a toccare il piano dell’orizzonte forma con lo stesso un angolo corrispondente alla latitudine w. Lo gnomone orientato diretto come l’asse terrestre proietta un’ombra che cambia direzione di 15° ogni ora in quanto le orbite apparenti del Sole sono centrate con l’asse Terrestre e per l’irrilevanza della distanza dal centro della Terra rispetto la distanza del Sole si possono immaginare le stesse come adagiate su una sfera che ha centro sull’apice dello gnomone. Bisogna precisare che nell’Emisfero Boreale il Sole proietta ombra sul quadrante solamente con declinazione Solare positiva cioè in Primavera e in Estate, viceversa l’orologio funzionerà con declinazioni negative sul retro, il quadrante inferiore, prolungando lo gnomone sul lato opposto. Questo tipo di orologio solare viene denominato equinoziale per il fatto che funzione alternativamente sei mesi per faccia e ha la caratteristica, purché orientato correttamente, di avere le linee orarie distanti tra loro di 15° indipendentemente dalla latitudine di collocazione. Gli orologi equinoziali hanno un quadrante estremamente semplice e possono avere un orientamento qualunque pur mantenendo quelle caratteristiche derivanti dallo sfruttamento di uno gnomone polare.

I piani contenenti lo gnomone tagliano le orbite apparenti del Sole in punti con lo stesso angolo orario ossia alla stessa ora vera. Tutto il fascio dei piani è tagliato perpendicolarmente all’asse dello gnomone dal quadrante equinoziale mentre un quadrante con orientamento qualunque taglia i piani generando delle rette quali intersezioni. Quindi anche un quadrante con orientamento qualunque conserva la caratteristica di avere per linee orarie delle rette e che, alla stessa ora qualunque sia la declinazione, l’ombra ha sempre la medesima direzione. Da quest’ultima caratteristica questa categoria di orologi solari prende il nome di orologi direzionali.

Lo gnomone polare garantisce questa condizione mentre invece uno gnomone verticale ad una latitudine qualunque proietterebbe ombre con direzioni diverse alla stessa ora al mutare giorno per giorno della declinazione del Sole.
I raggi del Sole a differenti declinazioni, alla stessa ora, sono tutti contenuti in un piano che contiene anche lo gnomone polare e pertanto proiettano l’ombra sull’intersezione con un piano e cioè su una retta, che rappresenta una linea oraria del quadrante, valida per tutto l’anno.

Un quadrante orientato in un modo qualunque taglia i piani orari generando per intersezione delle rette non più equidistanti 15° l’una dall’altra. In questo quadrante lo gnomone non è più ad esso perpendicolare formando invece un angolo dipendente sia dal- l’orientamento che dal lato del quadrante considerato.

Analizziamo meglio questi concetti osservando l’immagine che rappresenta un cilindro estruso costituito da 24 spicchi alternativamente diversamente colorati.  I piani orari corrispondono alle separazioni di due spicchi contigui pertanto va immagi-nato che il cilindro sia estruso con al centro lo gnomone.

Tagliando il cilindro perpendico-larmente all’asse con un quadrante, in questo caso equinoziale, diamo origine ad una sezione i cui spicchi sono tra loro identici e misurano 15° di ampiezza.

Se invece tagliamo il cilindro estruso con un piano qualsiasi genereremo una sezione ellittica il cui asse maggiore forma, con l’asse del cilindro, un angolo che rappresenta l’incli-nazione del piano di taglio.

In questo caso, la sezione ricavata, mostra in modo evidente che gli spicchi colorati hanno ampiezze differenti ossia più ampie attorno all’asse minore rispetto quelle attorno all’asse maggiore.

Più si incrementa l’inclinazione del piano di taglio ossia diminuendo l’angolo tra l’asse polare e l’asse maggiore più si evidenzia la differenza di ampiezza degli spicchi colorati. Stessa cosa accade negli orologi solari in quanto maggiore è l’inclinazione del quadrante rispetto a quello equinoziale tanto più si differenzieranno gli angoli degli spicchi le cui linee di separazione rappresentano le linee orarie dell’orologio.

Come osservabile dalle figure il cilindro colorato utilizzato evidenzia bene gli effetti dell’orienta-mento dei quadranti rendendo chiaramente comprensibili le informa-zioni basi-lari degli orologi direzionali, la sustilare e l’elevazione. La sustilare rappresenta l’asse maggiore della sezione ellittica indicando la direzione attorno alla quale si stringono le linee orarie. L’angolo formato dalla direzione sustilare e lo gnomone ossia l’asse polare corrisponde alla elevazione che è la misura dell’inclinazione del taglio che fornisce un parametro per la valutazione degli angoli delle linee orarie attorno alla sustilare.