Eliostato di Silbermann
Tratto da Roberto Vergara Caffarelli, STRUMENTI SCIENTIFICI TRA XVIII E XIX SECOLO NEL DIPARTIMENTO DI FISICA DELL' UNIVERSITA' DI PISA, in:C.A. Segnini e R. Vergara Caffarelli, ANTICHI STRUMENTI SCIENTIFICI A PISA (SEC. XVII - XX), pp. 128 - 130, Pisa, 1989.
Descrizione
In molte esperienze di ottica si può usare la luce del sole, (che offre una intensità e un parallelismo notevoli), introducendola dalla finestra attraverso una piccola apertura nella camera oscura. I raggi, sempre molto inclinati, vengono fatti riflettere secondo una direzione orizzontale mediante uno specchio metallico sistemato tra la finestra e la camera oscura; tuttavia i raggi riflessi a causa del movimento del sole, non possono mantenere una direzione costante, per cui occorre muovere continuamente lo specchio.Durante il giorno, infatti, il sole si muove su una circonferenza, parallela all’equatore la cui declinazione cambia nel corso dell’anno, passando da 23° 27’ (solstizio d’estate) a 0° (equinozi) e a - 23° 27’ (solstizio d’inverno).
L’eliostato è un apparecchio che pone rimedio al primo inconveniente (moto diurno), facendo muovere lo specchio con un congegno di orologeria, in maniera che i raggi solari nel corso dell’esperimento si riflettano sempre in una direzione costante. L’apparecchio non compensa però il piccolo cambiamento di declinazione (moto annuo).
Alla piattaforma sono avvitate due colonnette S e S'. In una di queste è aperta una finestra in cui è inciso un nonio con divisioni da 0 a 30. Sopra questa scala si legge quella incisa sull'arco FF, che è solidale con la scatola cilindrica che contiene l'orologio: con il nonio la scala, che va da -5° a 110° con divisioni di mezzo grado, permette di distinguere il minuto primo. La scatola dell'orologio è imperniata alle estremità superiori delle colonnette e ruota intorno all'asse orizzontale AA'.
Sul coperchio della scatola dell'orologio vi sono incisi due quadranti. Nel primo la lancetta compie un giro in due ore e quindi, essendovi segnate 120 divisioni, numerate ogni quarto d'ora, si può leggere il tempo trascorso in minuti primi. Nel secondo, pure con 120 divisioni, la lancetta compie una rotazione in 30 secondi, e vi si può leggere il quarto di secondo. Sul coperchio inoltre è posta una rotellina per arrestare l'orologio e una lancetta con cui, agendo sul bilanciere, si fa avanzare o ritardare l'orologio.
Si gira la scatola, inclinandola secondo la latitudine del luogo, (per esempio, a Pisa è 43° 43'); bloccando poi l'inclinazione mediante la vite di pressione v. Si gira il disco DD'D" orientandolo in maniera da porre la linea di fede tracciata su di esso nel piano meridiano del luogo, indicato con MM': dopo queste operazioni l'asse dell'orologio PP' diventa parallelo all'asse terrestre.
L'asse dell'orologio è formato da un'asta in acciaio all'interno di due tubi concentrici.
Il tubo esterno, indicato con G, può essere fatto ruotare, fissando poi la posizione prescelta con la vite r: il tubo termina con un pezzo metallico hk che presenta una fenditura in cui può scorrere ed essere fissato mediante una vite di pressione t un arco metallico LL'L". Quest'arco, ha per centro il punto sullo specchio determinato dal prolungamento ideale dell'asse dell'orologio. Faremo vedere adesso che facendo scorrere questo arco nella fenditura e ruotando G possiamo scegliere la direzione del raggio riflesso. Il tubo interno, fermato sul fondo della scatola dell'orologio, sostiene in alto il quadrante dell'orologio ee'e", sul quale sono segnate le ore del giorno, da 1 a 12 nella prima metà, poi ripetute nella seconda metà, con divisioni ogni cinque minuti. L'asse dell'orologio, al centro dei due tubi, fa compiere in 24 ore un giro ad un indice solidale con il cubo ii'i", nel quale passa attraverso una fenditura e può essere fissato nelle varie posizioni l'arco metallico JJ'J" (arco di declinazione). L'indice termina in un piccolo nonio, con cinque divisioni, che permette quindi la precisione del minuto primo.
Su questo arco, che è concentrico con l'arco LL'L", vi sono due tipi di divisioni, da un lato quella in gradi (da -30 a 30) e dall'altro quella che riporta i mesi, divisi in due semestri, segnando i giorni di 5 in 5. All'estremità di ogni arco, (L per l'arco inferiore, J" per quello superiore) può girare una delle due asticine che sorreggono lo specchio.
Quando l'eliostato è orientato, queste asticine hanno la direzione rispettivamente del raggio riflesso e di quello incidente. Infatti ciò si realizza fissando sull'arco JJ'J" la declinazione che corrisponde al giorno in cui viene fatta l'esperienza, e facendo segnare l'ora vera all'indice dell'orologio. L'ora vera corrisponde all'angolo orario del sole, e la sua differenza dal tempo solare medio è data dall'equazione del tempo. L'asticina QJ" è a 90 gradi dallo zero dell'arco di declinazione (equinozio), e quindi ha la direzione del raggio incidente; girando insieme all'asse dell'orologio continua a mantenerne la direzione nel corso dell'esperienza.
Le due asticine QJ" e HL sostengono due forcelle che si imperniano secondo un asse comune ab al centro dello specchio. Ad ognuna delle due forcelle è attaccata, a uguale distanza, una asticella: gli estremi delle due asticelle, tra di loro uguali in maniera da produrre un quadrilatero articolato, sono scorrevoli nella scanalatura praticata in un'asta af, perpendicolare allo specchio e unita rigidamente ad esso in a. In questa maniera i raggi solari che colpiscono lo specchio con una direzione variabile ma che è sempre quella di QJ", si riflettono sempre secondo la direzione di HL che è una direzione costante prescelta.
Silbermann ha inserito nel suo apparecchio un accorgimento che permette di fare a meno della conoscenza di uno tra questi dati: la declinazione, la direzione del piano meridiano e l'ora vera. Infatti ha fissato all'estremità J del cerchio di declinazione, perpendicolarmente ad esso e diretto secondo il suo raggio un piccolo traguardo forato e ed ha situato uno schermo, parallelo al primo, nel punto in cui una parallela al raggio incidente incontrerebbe di nuovo il cerchio. Sullo schermo ha tracciato due linee incociate ad angolo retto, per cui se l'apparecchio è ben orientato i raggi solari che attraversano il foro devono colpire il centro dello schermo.
Lo specchio è completamente libero e il raggio riflesso può essere diretto in qualsiasi direzione.
Le seguenti imperfezioni possono essere rilevate:
a) Se occorre una fissità completa del raggio, il bilanciere del'orologio deve essere sostituito con uno compensato e questo aumenta il prezzo dell'apparecchio. Se anche l'orologio è perfettamente regolato in laboratorio, quando lo strumento sarà posto al sole, riscaldandosi comincerà a ritardare.
b) I sistemi articolati delle forcelle si muovono con estrema lentezza a causa delle piccole dimensioni che si è obbligati a dare ad essi, per cui la più piccola disuguaglianza nelle articolazioni è sufficiente perché lo specchio abbia di tanto in tanto qualche arresto o qualche movimento brusco che si trasmette al fascio di luce riflessa.
Silbermann tuttavia consiglia un metodo che facilita la messa a punto e permette di correggere l'ora: infatti è necessario conoscere solamente la latitudine, perché una volta inclinato l'asse dell'orologio secondo quest'angolo, basta ruotare l'apparecchio intorno alla sua base, fino ad arrivare alla posizione in cui l'immagine del sole attraverso il forellino del traguardo raggiunge quella linea incisa sullo schermo, che è perpendicolare al cerchio di declinazione. A questo punto l'apparecchio è orientato e occorre solo girare l'orologio: l'immagine percorrerà questa linea fino a raggiungere il centro dello schermo: l'orologio segnerà l'ora vera.
L.T.Silbermann (1806-1865) presentò il 27.2.1843 l'eliometro, costruito da Soleil, alla "Académie des Sciences" e il 18.12.1843 una commissione composta da Biot, Arago, Babinet e Regnault illustrò con un lungo rapporto questo strumento (Comptes Rendus, T. XVII). L'apparecchio, senza mutamenti, era ancora presente nel 1897 nel catalogo della Ditta di Strumenti di Ottica che, fondata da Soleil nel 1819, aveva preso nel 1849 il nome di suo genero, Jules Duboscq.
Il restauro
Stato prima del restauro
Lo strumento risulta essere integro, manca la chiave di carica dell'orologeria e il piccolo indice, probabilmente fatto a forma di ago, che era inserito nel pomello di comando per l'avviamento e l'arresto del meccanismo. Mancano cinque delle otto vitine che fermano il dorso dello specchio rotante.
La lastra dello specchio è fatta di bronzo "speculum" spessa 4mm , nell'alloggiamento si sono depositati i residui delle polveri usate per le lucidature successive al montaggio. Si tratta di polveri di colore bianco e rosso (probabilmente "magnesite" e "rossetto").
Sul corpo cilindrico (cassa dell'orologio) si nota ancora l’impronta del numero di inventario 236 (immagine 3), molto meglio visibile è il numero 84 sovrapposto alle cifre del precedente e fatto con vernice rossastra (minio).
La maggior parte dello strumento è costruita di ottone ad eccezione di qualche vite e ingranaggio dell'orologeria. Di ferro è anche l'alberino che trasmette la rotazione allo specchio.
Tutte le superfici esterne al meccanismo sono molto ossidate e ampie zone dello strumento appaiono brunite poiché così si presenta la vecchia laccatura che è stata letteralmente bruciata (immagine 4) dal calore assorbito durante le asposizioni al sole. Solo piccole zone sono ancora ricoperte dalla laccatura meglio conservata.
L'orologio è firmato internamente Neumann á Paris5E3 (il primo tre è stampigliato a rovescio).
È stata eseguita una riparazione(immagine 5) dell'orologeria da "Luigi Meliani 1901"(orologiaio pisano), testimoniata dalla iscrizione incisa su una delle superfici interne dell'orologio. Sono evidenti i punti(immagine 6) di saldatura a stagno che si trovano sulla levetta e sull'alberino di rinvio dal bilancere all'ancora. Dallo stile di fabbricazione si può ipotizzare che la stessa ancora dello scappamento è stata sostituita in tempi ancora più recenti. L'ipotesi è avvalorata dal fatto che l'alberino, nella parte sporgente dove si innesta la lancetta è decisamente più lungo del necessario, tanto da far sporgere eccessivamente la lancetta rispetto al piano del quadrante dei secondi.
Inoltre, perché lo scappamento funzioni, l'asse dell'ancora deve lavorare fuori parallelismo rispetto agli altri ingranaggi.
Sulla piastra circolare del basamento, in prossimità del tratto di scala graduata che serve per la regolazione fine del posizionamento dell'eliostato, sono stati in passato praticati due fori (immagine 7), di diametro 2mm circa, per fissare la targhetta dell'inventario ora perduta.
Una volta caricato l'orologio funziona, ma con un ritmo poco regolare ed ha un notevole anticipo, circa 10 sec al minuto'.
Il registro del tempo è in una posizione anomala, ben oltre la corsa del settore dentato ed è bloccato. È malferma la guida a mezzaluna del suddetto settore.
Questi inconvenienti si possono attribuire ad un errato tentativo di regolare la marcia dell'orologio.
Lo strumento è stato smontato completamente. Si è provveduto a togliere le ossidazioni sulle superfici di ottone immergendole nella soluzione opportuna affinché venga eliminata solo l'ossidazione e rimangano inalterate le zone con residui di lacca originale. Anche le parti di ferro in vista sono state disossidate, ma con altro tipo di soluzione. Ogni particolare dello strumento è stato successivamente protetto con cera microcristallina. Si è ripulito dalle polveri varie il vano porta specchio.
Si sono costruite le cinque vitine mancanti sul retro dello specchio rotante.
È stato costruito il piccolo indice di ferro, a forma di lancetta, inserito nel pomello per l'arresto dell'orologio.
L'intervento sull'orologeria è consistito nel riposizionare correttamente il settore dentato che agisce sulla regolazione del tempo, a tale scopo sono stati ribattuti i piolini che fissano la guida a mezzaluna. È stata rimontata in posizione che consenta il funzionamento dell'orologio,l'ancora del sistema a scappamento agendo sulla vite di registro che è stata poi bloccata con una goccia di pece. Sempre dell'ancora è stata raddrizzata la parte terminale dell'alberino dove viene inserita la lancetta dei secondi.
È stato necessario spostare il fermo della molla del bilancere per poter utilizzare al massimo la lunghezza della medesima al fine di imporre un periodo più lungo alle oscillazioni e poter quindi regolare il tempo dell'orologio con maggiore ampiezza.
Nelle presenti condizioni il funzionamento del meccanismo rimane critico e con un ritardo di alcuni secondi l'ora. Queste condizioni possono definirsi soddisfacenti in quanto l'apparecchio ha oggi funzione puramente dimostrativa. Migliori prestazioni si potrebbero avere sostituendo l'ancora con un'altra con caratteristiche più vicine a quella originale.
Bibliografia
COMPTES RENDUS (1843) t.XVI, p. 502. COMPTES RENDUS (1843) t.XVII, pp. 1319-1324. ANNALES de CHIMIE e de PHYSIQUE (1844) t.X, pp.298-306. COMPTES RENDUS (1844), t.XXI, pp.522-524. DAGUIN (1878), t.IV, pp.63-70. WITZ (1883), pp.328-330. VIOLLE (1888), t.II, pp.338-350. PELLIN (1889), pp.3-5. CHWOLSON (1907), t.II, pp.510-513. BATTELLI, CARDANI (s.d.) vol.II, pp.976-981.