La scienza della navigazione antica

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Con l’occasione del Vecchio carnevale blogghereccio, sia io che Simone Normani, con il suo Grappa e Spada, abbiamo deciso di fare un articolo a tema marinaresco: potete trovare il suo articolo a questo link.

Sia che siate qui per curiosità storica, amore per i giochi di ruolo o per le battaglie navali delle vostre saghe videoludiche preferite, oggi scoprirete come (e quanto) si muove una nave antica!

La natura del vento

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Fino all’invenzione dei motori, due sono stati i principali strumenti per muovere una nave: i remi e le vele.
Partiamo da queste ultime: per capire come fa una vela a spingere un imbarcazione tramite il vento dobbiamo prima di tutto comprendere cosa sia il vento stesso…

L’atmosfera terrestre è una miscela di gas (che chiamiamo aria) che circonda il nostro pianeta ed è spessa, in base alla zona, tra gli 8 e i 20 km. Questo strato infatti non è affatto omogeneo: le sue caratteristiche dipendono infatti sia dal terreno sottostante che dalla presenza di umidità e dall’esposizione solare che ne determina la temperatura.

Uno degli indicatori principali di questa disomogeneità è la differente pressione dell’aria in vari luoghi della terra: la pressione è una grandezza fisica che misura il rapporto tra la forza applicata a un corpo e la superficie di applicazione della forza stessa (abbiamo già affrontato questa grandezza in questo articolo).

Per comprendere che effetto abbia la pressione possiamo immaginare l’atmosfera come un liquido con vari pistoni che premono in punti differenti: i pistoni più forti, quelli corrispondenti alle zone di alta pressione, spingono maggiormente il liquido e il risultato è che questo fluido tende a spostarsi dalle zone di alta pressione a quelle di bassa pressione.

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Questo accade anche nell’atmosfera: le zone di alta pressione vedono le particelle di aria allontanarsi in favore di quelle di bassa pressione, dove invece troviamo degli accumuli che, aumentando la massa d’aria presente nella zona, tendono a ribilanciare questa differenza di pressione.
Se non fossi per i moti continui della terra nel sistema solare, queste differenze di pressioni verrebbero appianate, ma grazie alla rotazione e alla rivoluzione la distribuzione del calore sulla terra cambia continuamente provocando una dinamicità nella pressione dell’atmosfera.

Con il movimento dell’aria, viene trasportata anche tutta l’acqua sospesa nell’aria stessa (quella che noi associamo all’umidità), che tenderà dunque ad accumularsi nella zona di bassa pressione, fino a raggiungere saturazioni sufficienti da provocare precipitazioni: allo stessa maniera le zone di alta pressione saranno più sgombre.
In generale, alle zone di bassa pressione è associata un’umidità e una temperatura superiore a quelle di alta pressione.

A questo punto è facile immaginare che siano proprio questi spostamenti d’aria da zone di alta e bassa pressione a costituire la natura del vento.

Tuttavia l’immagine di un flusso d’aria che parte direttamente da una zona e finisce nell’altra non è corretta: un’ulteriore forza, infatti, agisce su queste masse d’aria.
Stiamo parlando della forza di Coriolis, già ipotizzata da Galileo ma scoperta definitivamente nell’Ottocento dall’omonimo scienziato.

Il motivo per cui il fisico Pisano non riuscì a misurare questa forza è perché essa ha un effetto difficile da misurare sulle sostanze solide ma il suo contributo sulle masse d’aria e di acqua è fondamentale.

L'effetto di Coriolis

La forza di Coriolis infatti è dovuta alla rotazione terrestre: mentre noi esseri umani, che siamo praticamente solidi, siamo ben ancorati al terreno e ruotiamo alla stessa velocità della Terra, l’aria, che è venuta attorno al pianeta dalla gravità e dal ben più debole attrito fluidodinamico, tende a “restare indietro” rispetto al moto di rotazione della Terra.
All’atto pratico, questo produce una deviazione dei movimenti delle masse d’aria rispetto alla loro traiettoria spontanea: queste infatti tenderanno a ruotare, in verso opposto, attorno ai centri di alta o di bassa pressione, andando così a provocare dei venti che si spostano lo lungo linee curve.

La differenza di pressione può essere provocata da diversi fenomeni, i quali a loro volta producono Differenti venti che si possono catalogare, ad esempio, in base alla loro periodicità.
Ci sono ad esempio i venti costanti, come gli alisei, che sono stati fondamentali per l’epoca delle grandi scoperte geografiche e che soffiano da est a ovest nell’emisfero boreale, vicino all’equatore, è in direzione opposta nella metà australe.

Ci sono poi venti stagionali, come i Monsoni, il cui funzionamento si fonda sulla capacità dell’oceano indiano di accumulare calore.
L’acqua infatti ha un’elevata capacità termica, cioè è richiesto molto calore per scaldarla, ma essa poi si raffredda lentamente (deve cioè, allo stesso modo, perdere più calore per raffreddarsi): è dunque un buon serbatoio di calore, motivo per il quale viene usata, ad esempio, per cucinare o come liquido dei termosifoni.

Cos'è il monsone? • Scuolissima.com

L’oceano indiano, che contiene ovviamente una grande quantità d’acqua, si ritrova, in inverno, a perdere calore più lentamente del terreno del continente asiatico: quest’ultimo, raffreddandosi più velocemente, va a provocare su di esso una zona di alta pressione, mentre quella sull’oceano resta inferiore.
Questa differenza di pressione provoca i monsoni invernali, che spirano da est verso ovest.

Al contrario, in estate, il continente si scalda più rapidamente dell’oceano: la differenza di pressione viene invertita e il vento spira stavolta da ovest verso est, portando con sé una grande quantità di umidità dall’oceano e le seguenti piogge torrenziali che noi associamo ai monsoni.
L’estrema puntualità con il quale questi venti si palesano ha permesso, ad esempio, un fortissimo sviluppo delle tratte commerciali nell’Oceano Indiano, che andavano dal Mar Rosso fino al l’Indocina, dominate dai mercanti arabi e che hanno fatto la fortuna dell’islam nel continente asiatico.

Lo stesso fenomeno di riscaldamento asincrono tra mare e terra si può infine vedere in venti con periodicità più breve, come ad esempio i venti giornalieri: la brezza di mare, ad esempio, è il vento diurno che spira dal mare (che è ancora freddo) alla terra (che si scalda più lentamente), mentre a sera la situazione si inverte e il vento spira dalla terra al mare.

Una questione di nodi

Tanto la velocità del vento quanto quella dell’imbarcazione si misura in nodi (e non nodi all’ora, come qualcuno potrebbe pensare). Ma quanto è un nodo e come mai si chiama così?

Storicamente, la misura della velocità di una nave veniva effettuata lanciando, oltre la poppa (cioè il retro della nave), un oggetto chiamato solcometro, la cui forma e capacità di galleggiamento permettevano di considerarlo piuttosto fermo rispetto alla suolo.
Al solcometro era attaccata una sottile corda sulla quale erano praticati dei nodi (dai quali prende nome l’unità di misura) alla distanza di 50 piedi e 7,6 pollici, equivalenti a 1/120 di miglio nautico (quest’ultimo è pari a 1852 km)

Gli strumenti di navigazione degli antichi esploratori - Back To The Wild

Mentre un marinaio teneva il tempo, tramite una clessidra da 30 secondi, l’altro teneva appena la corda e contava i nodi che gli passavano tra le mani: visto che 30 secondi sono esattamente 1/120 di ora, e i nodi sono alla distanza di 1/120 di miglio nautico l’uno dall’altro, i due fattori “1/120” vanno a semplificarsi e contare i nodi passati tra le mani nel tempo della clessidra equivale a contare le miglia nautiche in un’ora.

Dire “nodi” equivale dunque a dire “miglia nautiche all’ora”: ogni nodo corrisponde quindi a poco meno di 2 km/h.

Ma quanto è “veloce” un vento?
Storicamente vengono utilizzate varie nomenclature: per quanto sia piuttosto anacronistica rispetto ai nostri riferimenti, useremo comunque la Scala di Beaufort a causa della sua precisione.

In questa scala, in cui l’intensità del vento va da 0 (calma) a 12 (uragano), l’ammiraglio britannico Beufort, vissuto tra il ‘700 e l’800, cataloga le correnti d’aria in tredici categorie a forza crescente.
Si va dunque dalla bava di vento (1-3 nodi), brezze leggere e tese (rispettivamente 4-6 e 7-10 nodi), venti moderati (11-16), tesi (17-20), freschi (22-27), forti (23-33) e infine burrasche, tempeste, fortunali e uragani.
La scala, che potete trovare a questo link, descrive anche accuratamente l’effetto del vento sulle onde e sulla terraferma.

La fisica della vela

Per sfruttare questo vento, fin dai tempi più antichi, l’uomo ha inventato la vela.
Ma come funzionano le vele?

L’uso più semplice della vela è quello di sfruttare la spinta diretta del vento, ponendo la prua della nave (cioè la “punta”) nella direzione della corrente e la vela direttamente perpendicolare ad essa.

In questa configurazione, detta “vento in poppa”, il vento spingerà direttamente l’imbarcazione nella direzione in cui sta soffiando.

Tuttavia, è possibile sfruttare il vento in maniera ben più complessa, mettendo un angolo tra la vela e il vento: in questa configurazione la vela si comporta in maniera simile all’ala di un’aereo.
Il vento, infatti, si trova a percorrere un cammino di lunghezza differente tra i due lati della vela: questo prova una differenza di pressione il cui effetto, ancora una volta, è quello di “spingere” la vela nella direzione ad essa perpendicolare.

In questo meccanismo non contribuisce solo il flusso d’aria dovuto al vento, ma anche quello dovuto al moto della nave stessa (il cosiddetto vento di velocità): è la somma dei due, detta “vento apparente”, a definire quale corrente d’aria calcolare per orientare la vela e ottenere la spinta desiderata.

Il risultato di questo fenomeno è che è possibile sfruttare l’insieme di questi fenomeni, assieme alla resistenza dello scafo e all’eventuale timone, per viaggiare in una direzione differente da quella del vento

In base all’angolo formato tra la direzione dal quale proviene il vento e quella in cui si muove la nave, avremo quindi le andature di Lasco (angoli maggiori di 90°, dunque circa nella stessa direzione del vento), che permettono perfino di raggiungere velocità superiori a quelle ottenibili con il vento in poppa: ci sono poi le andature di traverso (angoli attorno ai 90°, dunque andature perpendicolari al vento) e perfino di bolina (angoli inferiori a 90, dunque quasi nella direzione da cui proviene il vento), fino a un minimo di circa 45°

Quest’ultima andatura è permessa grazie alla resistenza effettuata, in acqua, dallo scafo, cosa ottenuta nei vascelli moderni da un oggetto chiamato “deriva” ma che anticamente dipendeva dalla forma della chiglia e dalla presenza di vele triangolari (sembra infatti che la cosiddetta vela latina, l’antica vela triangolare, sia nata proprio per permettere queste andature).

Grazie alle andature di bolina, è possibile raggiungere un luogo nella stessa direzione da cui proviene il vento: questo si otterrà con un cammino a zig-zag, alternando andature di bolina che deviano, ora a destra, ora a sinistra rispetto al vento.

In nautica, si utilizza il concetto di “velocity made good” (cioè “quanto” di quello spostamento avvicina effettivamente la nave alla destinazione) per stimare quale sia l’angolo giusto con cui navigare in questi casi: angoli più larghi, infatti, porteranno la prua più vicina alla direzione della destinazione, ma la velocità ottenuta sarà anche inferiore e spesso chi fa regate deve trovare il giusto compromesso tra queste due opzioni, al fine di raggiungere la meta nel minor tempo possibile oppure allontanandosi il meno possibile dal cammino più diretto.

Limiti strutturali

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Ma dunque, a che velocità può andare una nave antica?
Partiamo da un limite strutturale: la cosiddetta velocità di carena, detta anche velocità critica.

Si tratta della velocità alla quale le onde generate dal moto della nave raggiungono dimensioni paragonabili a quelle della nave stessa: in questa condizione, la resistenza dell’acqua aumenta esponenzialmente e dunque questa velocità è considerata essere all’incirca quella più alta raggiungibile da un vascello (anche se esistono numerosi natanti, come le barche a vela moderne, potenti motoscafi o anche banalmente windsurf che riescono a “planare”, ovvero mantenere lo scafo fuori dall’acqua e ridurre l’attrito)

Questa velocità, in nodi, è pari a circa 2,43 per la radice quadrata della lunghezza della nave (in metri): una nave lunga 16 metri, ad esempio, avrà una velocità massima di circa 9,7 nodi (dunque circa 18 km/h).

Dalla galea alla caravella

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Dopo aver capito a grandi linee il funzionamento di una nave, andiamo a vedere quali performance raggiungevano le navi del passato.

Se andiamo a confrontare una nave romana e una caravella del ‘500, vediamo che, a livello di velocità, non ci sono grosse differenze: la seconda, piuttosto, è costruita per reggere bene la navigazione oceanica e portare carichi importanti.

Una nave antica mantiene una buona manovrabilità con venti fino a 15 nodi, potendo effettuare manovre di bolina e traverso (per quanto la mancanza della deriva non renda ottimale queste andature), mentre venti più forti riducono le possibilità al solo lasco e vento in poppa.
Venti molto più forti, come intorno ai 25 nodi per una nave da guerra o 50 per un più agile mercantile, possono mettere a repentaglio l’integrità strutturale dell’imbarcazione.

Mentre con una bolina si hanno velocità di 2-3 nodi VMG, negli altri casi queste navi possono mantenere velocità medie di 6 nodi, con punte di 10-12 nodi VMG in lasco, sia con vele quadrate che triangolari (“latine”).

Nella pratica, tuttavia, la velocità media di viaggio era dell’ordine di 4-6 nodi con venti favorevoli e circa dimezzata (VMG) con venti sfavorevoli.
Oltre che alle vele, le navi antiche potevano contare anche sui rematori: dai test effettuati sulla Olympia, una trireme greca ricostruita alla fine degli anni 80, una nave del genere spinta a remi poteva mantenere una velocità di circa 2-3 nodi con picchi di 9 nodi: si presume che possa aver raggiunto velocità di 16 nodi per utilizzare correttamente l’ariete di prua, anche se pare che possano bastare velocità molto inferiori per danneggiare in maniera considerevole una nave.

Guerre navali

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Ma come funzionava il combattimento navale prima dell’invenzione delle armi da fuoco?

Erano presenti fasi di combattimento a distanza, tramite armi da tiro e, nel caso delle navi più grandi, piccole balliste montate sul ponte, ma il fulcro dello scontro era a breve distanza.

Le navi infatti manovravano per sfondare, con in loro rostro, lo scafo delle imbarcazioni avversarie, oppure si affiancavano e spostavano il combattimento sul piano dell’ingaggio in corpo a corpo: i romani, in particolare, essendo molto ben addestrati in questo tipo di scontro, inventarono una specie di ponte mobile, il “corvo”; che aveva uno spunzione sul fondo.
Manovrando questo ponte, si poteva puntare lo sperone sul ponte delle navi nemiche e usare la passerella per salire a bordo e affrontare il nemico direttamente sulla sua nave: questa invenzione fu decisiva, ad esempio, durante le guerre puniche per sottrarre a Cartagine l’egemonia sul mare mediterraneo.

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Si ringrazia Francesco e Samuele per il supporto dato per questo articolo 😉

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