Descrizione

La meridiana, detta anche più correttamente orologio solare o sciotere, è uno strumento di misurazione del tempo basato sul rilevamento della posizione del Sole. Ha origini molto antiche e nella sua accezione più generale indica in massima parte gli orologi solari presenti sui muri degli edifici. In senso stretto, con meridiana si dovrebbe intendere unicamente l'indicatore del passaggio del Sole a mezzogiorno


Caratteristiche

L'ago della meridiana è lo stilo, detto gnomone; è l'asta che, tramite l'ombra proiettata sul piatto (o quadrante) dell'orologio stesso, permette l'indicazione dell'ora.

            
Una meridiana murale (in Piazza del Collegio Ghislieri a Pavia)

Introduzione

Gli orologi solari e le meridiane erano già conosciuti nell'antico Egitto e presso altre civiltà, e successivamente tra quella dei Greci e dei Romani. L'origine di questa scienza è tuttavia ancor più antica rispetto alla civiltà egizia e le prime testimonianze risalgono addirittura al Neolitico.
Lo studio degli orologi solari è chiamato gnomonica o meno frequentemente sciaterica.
Nella forma più semplice uno stilo, detto gnomone, proietta la sua ombra su una superficie detta quadrante, e la posizione assunta è funzione dell'ora del giorno. Normalmente è mostrata l'ora solare apparente, ma è possibile predisporre il quadrante per mostrare il tempo standard.
Una meridiana può essere adattata per una particolare latitudine piegando lo gnomone in modo da renderlo parallelo all'asse di rotazione terrestre, in modo che punti verso il polo nord nell'emisfero boreale e verso il polo sud nell'emisfero australe. In realtà lo strumento dovrebbe essere progettato per una specifica latitudine per ottenere la massima precisione. Le meridiane da giardino prodotti industrialmente sono generalmente progettati per il 45º parallelo nord.
Il quadrante di una meridiana può essere ruotato attorno allo gnomone per un massimo di 7,5º verso est o ovest per correggere perfettamente il tempo standard locale (ogni fuso orario è ampio 360°/24h = 15º) come se ci si trovasse al centro del proprio fuso orario. Per correggere l'ora legale, il quadrante può avere una seconda serie di numeri, oppure può essere fornita una tabella di conversione, specifica per la latitudine. Comunemente si adotta il colore rosso per i numeri corrispondenti all'orario estivo e colori freddi per l'inverno. Non è possibile ruotare il quadrante in questo caso perché gli angoli tra le ore non sono tutti uguali (tranne che ai poli terrestri).
I quadranti comuni non convertono il tempo solare apparente in tempo standard. Si ha quindi una variazione di 15 minuti nell'arco di un anno, nota come equazione del tempo, provocata dal fatto che l'orbita terrestre è ellittica e non circolare, ed è inclinata rispetto all'equatore (vedi eclittica). Alcune meridiane sono dotate di una tabella che fornisce un valore di correzione dall'ora solare indicata dallo strumento all'ora media dei comuni orologi; questa tabella prende il nome di equazione del Tempo e può essere sintetizzata a forma di grafico. Alcuni modelli adottano linee orarie o gnomoni curvi o altre soluzioni per fornire una lettura diretta del tempo medio; altri sono in grado d'indicare anche il periodo dell'anno per mezzo della posizione in cui cade l'ombra di un particolare punto dello gnomone detto nodo. Il nodo può essere un contrassegno come una sfera, un mirino o semplicemente l'estremità libera dello stilo.
La meridiana più grande del mondo è il Sundial Bridge,un innovativo ponte pedonale progettato dall'architetto spagnolo Santiago Calatrava. 
La meridiana più grande d'Europa (2,60 × 1,20 m) è invece a Salerno, in cotto di Ogliara e ceramica smaltata realizzata da Erika Beker e Marco Bacchilega.

Meridiane Fisse

Equatoriali o Equinoziali

La più semplice forma di meridiana è costituita da un disco coassiale con una barra collocata parallelamente all'asse terrestre. Il disco forma un piano parallelo con l'equatore. Sul disco sono tracciati dei segni che indicano il trascorrere delle ore. Normalmente il mezzogiorno è collocato nella parte più bassa del disco, le 6 al bordo ovest e le 18 al bordo est. In estate la parte nord del disco è illuminata mentre la parte sud non lo è. In inverno è illuminata la parte sud e non la nord. In estate il nodo è l'estremità a nord dello gnomone, in inverno lo diventa l'estremità sul lato opposto del disco.
Sul disco possono essere tracciati una serie di cerchi concentrici per evidenziare la posizione del nodo ogni giorno, permettendo di usare l'orologio come calendario. Uno svantaggio di questa soluzione è che agli equinozi i raggi solari giungono parallelamente al disco e lo strumento è difficilmente leggibile.

Orizzontali da giardino

La meridiana da giardino si basa sullo stesso principio della precedente, ma le linee del disco sono proiettate per mezzo della trigonometria su un piano parallelo al suolo. Il principale vantaggio di questo sistema è di potere mostrare l'ora tutto l'anno, poiché il quadrante non è mai completamente in ombra. Il quadrante può essere tracciato sulla pavimentazione di una piazza oppure su un disco di vetro traslucido visibile dal basso.
Dalla base dello gnomone verso il bordo del quadrante sono tracciate le linee corrispondenti alle ore. Gli angoli di queste linee sono calcolati con la formula:

angolo = arctan (sin(latitudine) * tan(angolo orario))

L'inclinazione dello gnomone rispetto al quadrante è pari alla misura in gradi della latitudine del posto in cui ci troviamo. Lo strumento ovviamente deve essere orientato, cioè occorre ruotare il quadrante in modo che lo gnomone sia parallelo all'asse terrestre.

                                                                                                                 meridiana orizzontale

Verticali o Murali

Sebbene oggigiorno siano una rarità, un tempo le meridiane tracciati sulle pareti esterne degli edifici esposte a sud erano comuni, poiché sono visibili a distanza ed economiche da realizzare. Il quadrante può essere semplicemente dipinto sul muro oppure ricavato su una lastra di marmo o pietra. Lo gnomone può essere uno stilo di ferro o ottone oppure un tripode di metallo, per maggiore robustezza.
Principale svantaggio di questi strumenti è che sono in grado di mostrare l'ora solamente per il periodo dell'anno e del giorno in cui il muro è direttamente illuminato dal sole.
La progettazione è molto simile a quella dei modelli orizzontali; la formula per un quadrante esposto a sud è:

angolo = arctan (cos(latitudine) * tan(angolo orario))

L'inclinazione dello gnomone è uguale alla latitudine.
Tradizionalmente si usava collocare quattro orologi sul tetto o sulle pareti perimetrali di una torre, in modo da avere l'indicazione per tutto l'anno. È abitudine incidere sul quadrante un motto.

   
                                                                  meridiana a Cortina d'Ampezzo (BL)            Meridiana sulla facciata del comune di Tezze sul Brenta (VI)
 


                                                                  Meridiana a Santa Maria di Sala (VE)                    Meridiana a Roncade (TV)


Orologio negativo solare

Negli orologi solari convezionali lo gnomone proietta l'ombra su un quadro di riferimento, l'orologio negativo è quello che proietta i raggi di luce attraverso una fessura.

Meridiane portatili

A partire dal Medioevo furono elaborati strumenti astronomici e orologi solari portatili.

A Dittico

Un tipo molto comune è costituito da due piccoli pannelli (un dittico) di legno o meglio avorio bianco intarsiato, incernierati in modo da potere essere chiudibili a formare una scatola facilmente trasportabile. Lo gnomone è realizzato con un filo di lino, seta o canapa teso tra le due tavole. Quando il filo è teso, le due tavole costituiscono due quadranti, uno orizzontale ed uno verticale.
Facendo in modo che i due quadranti abbiano differente inclinazione rispetto allo gnomone, lo strumento è in grado di auto allinearsi. Posizionandolo in modo che le due tavole mostrino la stessa ora, questa corrisponderà all'ora solare corretta. Come ulteriore informazione si ottiene che l'asse della cerniera risulta allineato verso nord (nell'emisfero nord) e lo gnomone parallelo all'asse terrestre. A mezzogiorno, al tramonto ed all'alba, la variazione di latitudine non influisce sull'ora mostrata dall'orologio solare portatile, ma alle 9 ed alle 15 ogni grado di errore nella latitudine produce una differenza di quattro minuti nell'ora mostrata sui due quadranti. Ne consegue che può essere usato come un astrolabio o un sestante per determinare la latitudine. Alcuni strumenti comprendono una scala con un filo a piombo su cui leggere la latitudine, mentre altre includono una rosa dei venti. Orologi solari di questo tipo di grandi dimensioni (oltre il metro) erano usati per la navigazione.

Ad Elevazione

La funzione dell'orologio solare poteva essere svolta da un astrolabio, usato anche per la navigazione e l'astronomia. Nel modello più semplice era costituito da un anello sostenuto da un anellino. Quando il tutto era tenuto in mano in modo che penzolasse verticalmente, un foro nell'anello proiettava un punto luminoso all'interno, dove una scala indicava l'ora. lo strumento era vincolato ad una particolare latitudine e l'utilizzatore doveva sapere a priori se era mattina o pomeriggio, altrimenti indistinguibili. Il foro era montato su una slitta regolabile in funzione del giorno dell'anno.
In tempi moderni le forze speciali dell'esercito degli Stati Uniti dispongono di un semplice orologio solare di questo tipo ricavata nel coltello in dotazione all'equipaggiamento, utile in caso di malfunzionamento dell'orologio.

Meridiana a tempo medio

Una meridiana può essere anche chiamata eliocronometro, perché è in grado di correggere il tempo solare apparente per indicare il tempo solare medio o un altro tempo standard, solitamente con una accuratezza nell'ordine del minuto.

Meridiane equatoriali a coppa

La più classica forma di eliocronometro è quello con quadrante a coppa, sopra il quale una barra e filo teso parallelamente all'asse terrestre costituisce lo gnomone. La scala è tracciata a formare un semicerchio all'interno della coppa. Questo tipo di strumento fu usato in Francia durante la prima guerra mondiale per regolare l'orario dei treni. Gli strumenti più precisi si trovano a Jaipur in India. Sono di dimensioni colossali e furono fatte costruite dal califfoMogul per tenere aggiornato il calendario islamico.

Meridiana Greca

Gli antichi Greci usarono un tipo di orologio solare chiamato "pellekinos".[3] Lo gnomone era una barra o un palo messo verticalmente su un piano orizzontale o semisferico. L'ombra della punta dello gnomone descriveva una curva iperbolicasulla superficie piatta o circolare sulla superficie semisferica. Sulla superficie erano tracciate linee che indicavano l'ora esatta in ogni periodo dell'anno.

Analemmatiche

Questo tipo di meridiana è caratterizzato dall'avere la linea delle ore a forma di 8 (detta analemma), corrispondente alla rappresentazione visiva dell'equazione del tempo. L'ora è letta nel punto in cui l'ombra del nodo dello gnomone cade sulla curva analemmatica. Questo compensa automaticamente l'effetto dell'eccentricità dell'orbita terrestre.

Meridiana Analemmatica


A riflessione

Isaac Newton inventò una meridiana adatta per le finestre esposte a sud. Egli collocò un piccolo specchio sul davanzale della finestra e dipinse un quadrante simile al pelekînos greco sul soffitto e sulle pareti. Lo specchio costituisce in questo caso lo gnomone riflettendo il punto luminoso. In questo modo è possibile realizzare uno strumento ampio, accurato e facilmente correggibile con poco materiale e senza spreco di spazio. Il quadrante può anche essere di tipo analemmatico.

Meridiana Calcolatrice

Una interessante variante della meridiana orizzontale è in grado di elaborare e mostrare direttamente il tempo standard. Diversamente da un modello normale, sul quadrante gli intervalli orari sono tracciati con angoli identici. Ad esso è sovrapposta una maschera a forma di cardioide (una figura geometrica a forma di cuore). Questa figura esprime la formula di corrispondenza tra i differenti angoli orari di una meridiana convenzionale e gli angoli orari identici come appaiono sul quadrante di un orologio. Il punto in cui l'ombra dello gnomone incontra la curva cardioide è dove si deve leggere l'ora sul quadrante sottostante. La correzione dell'ora legale viene effettuata semplicemente ruotando il quadrante inferiore.

Meridiana Digitale

Una meridiana digitale sfrutta le luci e le ombre per mostrare l'ora sotto forma di cifre o anche parole, invece del tradizionale sistema basato sulla posizione. Un sistema è quello di affacciare due maschere parallele con coppie di fori che risultano allineate e consentono il passaggio dei raggi luminosi ciascuna in preciso periodo del giorno.

Meridiana Naturale

Una meridiana naturale sfrutta la conformazione del suolo per mostrare l'ora grazie alle cime montuose che il sole illumina. Un esempio di tale regalo della natura è la meridiana di Sesto, che con le sue cime dolomitiche fornisce questo strumento.