L’eliostato di Foucault

Questo dispositivo è descritto in “Recueil des travaux scientifique de Leon Foucault” (Raccolta di lavori scientifici di Leon Foucault), di C.-M. Gariel, pubblicato postumo nel 1868, e pare sia stato anche brevettato (domanda di brevetto 17 marzo 1862 e una domanda di integrazione del 18 ottobre 1862 v. Collezione dei Brevetti, n. 48,900), ma non sono riuscito a trovare questi brevetti.

A differenza del siderostato, descritto anche in “Annales Scientifiques de l’École Normale Supérieure“, 2a serie, tomo 1 (1872) da C. Wolf e di cui sono disponibili varie immagini e dettagli in questi e altri testi, l’eliostato è molto più “misterioso”: tutte le immagini lo ritraggono nella stessa posa di quella qui sopra, quindi sono probabilmente una la copia dell’altra, e alcune immagini sono anche molto approssimative, quando non addirittura errate, rendendo quindi molto difficile interpretare i dettagli necessari a costruire materialmente questo strumento.

Ho quindi attinto a molteplici fonti, sia testuali che grafiche, integrandole l’una con l’altra e “interpolandole” per cercare di sbrogliare questa matassa.

Andiamo quindi ad analizzare lo strumento in dettaglio.

Funzionamento

Il motore B fa compiere al perno-pilota NN’ un giro ogni 24 ore intorno all’asse XX’, che è orientato esattamente a nord, cioè è inclinato come la latitudine del luogo. Ciò fa sì che la direzione NN’ rimanga in ogni momento parallela ai raggi del sole, se all’inizio del movimento il sole ha questo allineamento.

Questo perno-pilota guida, tramite il giunto a 3 gradi di libertà N, la coda c’N dello specchio, il quale è così vincolato ad eseguire un movimento tale che in ogni istante il riflesso del sole avrà la direzione di c’c; nella figura questa direzione è orizzontale ed ha un azimuth diverso da zero, diciamo una decina di gradi verso Est, ma non è questo l’unico grado di libertà dello specchio: grazie alla leva LL’, è anche possibile alzare e abbassare lo specchio, per farlo puntare nella direzione desiderata puntandolo sia verticalmente che orizzontalmente.

Condizione indispensabile perchè il meccanismo funzioni è che la lunghezza c’c sia identica alla lunghezza Nc.

Affinchè questa condizione resti sempre valida, quando si punta lo strumento in altre direzioni diverse da quella nominale (azimuth = 0 e altezza = 0) è necessario che c’c ruoti intorno a c, sia verticalmente che orizzontalmente:

• orizzontalmente grazie al fatto che lo specchio è fissato a una grossa ruota dentata incentrata su un asse centrato in c
• verticalmente grazie alla combinazione della leva LL’ con la slitta sottostante, che tira indietro lo specchio quando questo viene alzato: il parallelogramma L-L’-c-c’ garantisce che cc’ ruoti intorno a c durante la movimentazione verticale dello specchio

Messa in opera

Prima di avviare lo strumento, è indispensabile posizionarlo e orientarlo in modo corretto

Posizionamento e orientamento

La tavola di appoggio deve trovarsi esattamente in orizzontale; può essere regolata tramite le 4 viti calanti v-v’-v”-v”’ ai 4 angoli della tavola, e controllata tramite la livella a due assi H:

Allo stesso tempo, bisogna assicurarsi che lo strumento sia orientato in direzione nord/sud, ossia fare in modo che il lato v-v’ e il lato v”-v”’ abbiano tale orientamento.

L’orologio B deve essere inclinato rispetto al piano orizzontale di tanti gradi quanti sono i gradi di latitudine del luogo, ma tale inclinazione non è regolabile, dipende da come è costruito il supporto sottostante, che va quindi costruito appositamente a seconda del luogo in cui lo strumento va usato.

Da notare che affinchè l’asse sia inclinato ad esempio di 30° rispetto all’orizzontale, la parete obliqua del supporto dovra essere invece inclinata di 90-30 = 60° sull’orizzontale (e 30° rispetto alla verticale).

Puntamento del perno-guida

Una volta posizionato e orientato, lo strumento va puntato: l’asse orario deve essere ruotato a mano finchè il perno-guida NN’ risulta puntato esattamente verso il sole: lo si può verificare osservando che il perno stesso proietterà un’ombra cortissima, in teoria pari al suo diametro, sul piano di appoggio, ma in certi modelli è proprio presente un collimatore (non visibile nella figura sopra), in cui il sole entra da un forellino e va a proiettarsi su un piccolo schermo, come visibile in questo particolare di quest’altro eliostato, quello di Silbermann:

Anche se basato su un principio di funzionamento molto diverso, l’eliostato di Silbermann condivide con quello di Foucault il meccanismo ad orologeria e parte del suo metodo di connessione all’arco di declinazione qui sopra rappresentato, quindi lo prenderò spesso come riferimento per spiegare come funziona quello di Foucault.

Per poter puntare correttamente il perno-guida NN’, il suo supporto ad arco deve essere libero di muoversi nei suoi due gradi di libertà, quello “orizzontale” e “verticale” rispetto al meccanismo a orologeria; entrambi i movimenti hanno però un sistema di bloccaggio, che va temporaneamente sbloccato per permettere il puntamento, dopodichè nuovamente bloccato. Nel paragrafo dedicato ai dettagli costruttivi spiego in dettaglio questi sistemi.

Puntamento del raggio riflesso

Una volta che il perno-guida è stato correttamente puntato e bloccato, facoltativamente si può passare ad orientare lo specchio, ma lo strumento funziona per qualunque orientamento iniziale dello specchio.

Per alzare la direzione di puntamento dello specchio, occorre probabilmente (nei testi non è chiaro) agire su un barilotto a vite collocato sotto quello su cui è imperniata l’asta LL’, qui indicato con K:

L’idea viene da un altro modello di eliostato, in cui questo meccanismo è spiegato esplicitamente:

La strana manopola J dovrebbe servire a bloccare il movimento della slitta una volta raggiunto il puntamento desiderato.

Per orientare invece orizzontalmente il raggio riflesso, dovremo andare ad agire sulla manopola R, che tramite la rotellina dentata sottostante, che ingrana con la grossa ruota Z, farà ruotare la base dello specchio intorno all’asse A. Non è invece chiaro a cosa servano la manopla E e la corrispettiva ruota dentata E’: forse per sollevare l’asse A, ma non ne capisco lo scopo.

Una volta completato anche il puntamento dello specchio, lo strumento è pronto ad essere usato.

Particolari costruttivi

Sono molti i particolari che a prima vista non si notano ma che devono essere ben chiari per riuscire a costruire fisicamente questo strumento. Vediamoli uno ad uno.

Manopole di fissaggio

Si tratta di due manopole poste sullo scatolotto in cui scorre l’arco di declinazione, ma nel disegno originale sono molto poco visibili, anzi, quella posteriore è completamente nascosta:

Per fortuna vengono in nostro soccorso le numerose foto disponibili per l’eliostato di Silbermann.

Qui vediamo la manopola di serraggio dell’arco di declinazione, che nel disegno sopra appare invece solo come un perno:

Il motivo per cui nel disegno si vede solo il perno è che probabilmente la manopola, una volta ultimato il puntamento, veniva rimossa per evitare sblocchi involontari.

Qui vediamo invece la manopola posteriore… che invece è stata appunto rimossa dal suo perno:

Qui vediamo altri particolari del fissaggio, da altri punti di vista e in diverse varianti dello strumento:

Se da una parte è facilmente intuibile il modo in cui la manopola blocca l’arco (probabilmente semplicemente il perno si avvita ne cubetto fino a toccare l’arco), appare un po’ più misterioso il metodo con cui il cubetto viene fissato all’asso verticale: potrebbe essere usato lo stesso sistema, ma l’aspetto esteriore diverso lascerebbe pensare a un metodo diverso; e non è chiaro perchè in alcuni modelli solo una delle due manopole sia rimovibile.

L’arco di declinazione

Si chiama così perchè va regolato appunto in base alla dezlinazione del sole, che varia ogni giorno, dando origine alle stagioni:

Per tale motivo l’arco possiede una scala graduata; scala che in realtà è molto complessa, e addirittura tripla: due scale sono su un lato, quello visibile nella figura sopra, un’altra sul lato posteriore.

Le scale graduate

Quella sul lato anteriore è la più complessa: anzichè indicare i gradi di declinazione, contiene un calendario, diviso in due scale. Analizzando questa e altre immagini…

… e inserendo i dati in un programma scritto da me (e da ChatGPT… 🙂 ), sono riuscito a replicare la scala:

Questi i valori utilizzati:

| Giorno | Giorno del Mese | Data   | Declinazione |
|--------|-----------------|--------|--------------|
| 1      | 1               | 02/01  | -23.01       |
| 5      | 5               | 06/01  | -22.65       |
| 10     | 10              | 11/01  | -22.04       |
| 15     | 15              | 16/01  | -21.27       |
| 20     | 20              | 21/01  | -20.34       |
| 25     | 25              | 26/01  | -19.26       |
| 32     | 1               | 02/02  | -17.52       |
| 36     | 5               | 06/02  | -16.40       |
| 41     | 10              | 11/02  | -14.90       |
| 46     | 15              | 16/02  | -13.29       |
| 51     | 20              | 21/02  | -11.58       |
| 56     | 25              | 26/02  | -9.78        |
| 60     | 1               | 01/03  | -8.29        |
| 64     | 5               | 05/03  | -6.76        |
| 69     | 10              | 10/03  | -4.81        |
| 74     | 15              | 15/03  | -2.82        |
| 79     | 20              | 20/03  | -0.81        |
| 84     | 25              | 25/03  | 1.21         |
| 91     | 1               | 01/04  | 4.02         |
| 95     | 5               | 05/04  | 5.60         |
| 100    | 10              | 10/04  | 7.53         |
| 105    | 15              | 15/04  | 9.41         |
| 110    | 20              | 20/04  | 11.23        |
| 115    | 25              | 25/04  | 12.95        |
| 121    | 1               | 01/05  | 14.90        |
| 125    | 5               | 05/05  | 16.11        |
| 130    | 10              | 10/05  | 17.52        |
| 135    | 15              | 15/05  | 18.79        |
| 140    | 20              | 20/05  | 19.93        |
| 145    | 25              | 25/05  | 20.92        |
| 152    | 1               | 01/06  | 22.04        |
| 156    | 5               | 05/06  | 22.54        |
| 161    | 10              | 10/06  | 23.01        |
| 166    | 15              | 15/06  | 23.31        |
| 171    | 20              | 20/06  | 23.44        |
| 176    | 25              | 25/06  | 23.40        |
| 182    | 1               | 01/07  | 23.12        |
| 186    | 5               | 05/07  | 22.80        |
| 191    | 10              | 10/07  | 22.24        |
| 196    | 15              | 15/07  | 21.52        |
| 201    | 20              | 20/07  | 20.64        |
| 206    | 25              | 25/07  | 19.60        |
| 213    | 1               | 01/08  | 17.91        |
| 217    | 5               | 05/08  | 16.83        |
| 222    | 10              | 10/08  | 15.36        |
| 227    | 15              | 15/08  | 13.78        |
| 232    | 20              | 20/08  | 12.10        |
| 237    | 25              | 25/08  | 10.33        |
| 244    | 1               | 01/09  | 7.72         |
| 248    | 5               | 05/09  | 6.18         |
| 253    | 10              | 10/09  | 4.22         |
| 258    | 15              | 15/09  | 2.22         |
| 263    | 20              | 20/09  | 0.20         |
| 268    | 25              | 25/09  | -1.81        |
| 274    | 1               | 01/10  | -4.22        |
| 278    | 5               | 05/10  | -5.79        |
| 283    | 10              | 10/10  | -7.72        |
| 288    | 15              | 15/10  | -9.60        |
| 293    | 20              | 20/10  | -11.40       |
| 298    | 25              | 25/10  | -13.12       |
| 305    | 1               | 01/11  | -15.36       |
| 309    | 5               | 05/11  | -16.55       |
| 314    | 10              | 10/11  | -17.91       |
| 319    | 15              | 15/11  | -19.15       |
| 324    | 20              | 20/11  | -20.24       |
| 329    | 25              | 25/11  | -21.18       |
| 335    | 1               | 01/12  | -22.11       |
| 339    | 5               | 05/12  | -22.59       |
| 344    | 10              | 10/12  | -23.05       |
| 349    | 15              | 15/12  | -23.34       |
| 354    | 20              | 20/12  | -23.45       |
| 359    | 25              | 25/12  | -23.39       |

Sul lato posteriore, invece, c’è una semplice scala graduata che copre i valori di declinazione da -23.27 a 23.27:

La posizione nel cubetto rotante

E’ molto importante che l’arco sia posizionato correttamente sul cubetto che lo fa ruotare: deve essere fissato in modo tale che il perno-guida sia attraversato dal prolungamento dell’asse dell’orologio; vista dall’alto, la cosa appare così:

Il perno-guida è quello blu, che a un’estremità sarà collegato alla coda dello specchio.

Gli indicatori delle scale graduate

Essendoci tre scale graduate dovranno esserci anche 3 indicatori: due su un lato…

(anche se nascosta dall’ombra, dovrebbe esserci una freccia anche sopra)

… e una sull’altro:

Nel disegno le due scale sono disegnate in modo molto approssimativo:

La “lancetta”

Infine, sul cubo deve essere presente un indicatore che segna l’ora sul quadrante circolare sottostante. Può essere una semplice lancetta, ma in alcuni disegni e foto compare in realtà come una “linguetta” che contiene un nonio, per leggere i valori con più precisione:

Ulteriori dettagli saranno aggiunti successivamente in questo stesso post.