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Introduzione

Navigazione Insieme delle tecniche usate per determinare la posizione e la rotta di navi, aerei o missili guidati. Si distinguono essenzialmente quattro tipi di navigazione: 1) la navigazione stimata, che consiste nel calcolo della posizione di un mezzo, note la direzione e la velocità; 2) il pilotaggio, vale a dire la guida di un mezzo tramite un costante confronto con i punti di riferimento geografici e tramite strumenti ausiliari; 3) la navigazione astronomica, in cui si sfrutta l’osservazione dei corpi celesti per determinare la posizione di un mezzo sulla superficie della Terra; e 4) la navigazione elettronica, il più importante e avanzato sistema di navigazione oggi utilizzato, che impiega apparecchiature elettroniche radio e inerziali.

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Posizione e direzione sulla superficie terrestre

I principali problemi di competenza della navigazione consistono nella determinazione della posizione, della velocità, della distanza e del tempo necessario a spostarsi da un punto all’altro a bordo di un dato mezzo di trasporto. La posizione di un corpo sulla superficie della Terra viene specificata in base a un sistema di coordinate fissato, quale quello di latitudine e longitudine. La direzione di un punto rispetto a un altro viene solitamente indicata per mezzo di una distanza angolare, misurata in gradi rispetto al Nord geografico. La velocità viene spesso espressa in nodi, o miglia marine all’ora (1 nodo corrisponde a 1852 m). Per la navigazione aeronautica o sottomarina va inoltre tenuto conto della quota rispetto al livello di riferimento.

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Mappe e proiezioni cartografiche

Il piano di navigazione viene tracciato su mappe e carte geografiche. Queste sono rappresentazioni piane di porzioni della superficie terrestre, su cui vengono sovrimposti il reticolo delle coordinate di latitudine e longitudine e le curve che indicano le caratteristiche topografiche della zona. Le carte per la navigazione sono finalizzate alla determinazione della posizione, della direzione e della distanza dei punti che interessano il navigatore. Poiché una superficie sferica, quale è con buona approssimazione quella della Terra, non può essere ridotta a una superficie piana senza distorsioni, sono stati messi a punto diversi sistemi di proiezione cartografica, ciascuno dei quali soddisfa solo una specifica necessità, ad esempio la rappresentazione di una regione particolare del globo, di una regione più o meno estesa, più vicina ai poli o all’equatore.

Il tipo di proiezione maggiormente utilizzato nelle carte per navigazione è la proiezione di Mercatore, dal nome dal matematico e geografo fiammingo del XVI secolo Gerardo Mercatore. Si tratta di una proiezione cilindrica alla quale sono apportate modifiche che riducono gli effetti dello schiacciamento delle regioni polari. La superficie della Terra viene proiettata su una superficie cilindrica ideale tangente al globo lungo la linea dell’equatore. Quando il cilindro viene sviluppato su una superficie piana, i meridiani, cioè le semicirconferenze congiungenti i poli e indicanti la longitudine, vengono rappresentati da linee verticali egualmente spaziate, mentre i paralleli, che indicano la latitudine, sono rappresentati da linee orizzontali la cui spaziatura aumenta via via che ci si avvicina ai poli. La proiezione di Mercatore, nonostante la notevole distorsione da cui è affetta, è assai diffusa perché presenta il vantaggio di poter rappresentare con un segmento di retta ogni linea che sulla superficie terrestre taglia i meridiani sempre sotto lo stesso angolo (lossodromia).

Per calcolare la rotta più breve, il navigatore deve seguire una rotta geodetica. La linea geodetica che collega due punti sulla superficie della Terra rappresenta l’arco minimo passante per i punti dati, appartenente al corrispondente cerchio massimo (o al piano passante per il centro della Terra e per i due punti in questione). Tali rotte possono essere determinate direttamente dalle carte geodetiche, ma essendo per le navi poco pratico viaggiare lungo una direzione curva, la regola è quella di seguire una serie di corde che, tracciate sulle carte di Mercatore, approssimano la rotta ideale.

La maggior parte delle acque navigabili è stata accuratamente rilevata dai servizi delle principali stazioni marittime, così da produrre affidabili carte nautiche a disposizione del navigatore. I servizi idrografici di diverse nazioni hanno pubblicato anche almanacchi e portolani che facilitano il lavoro dei navigatori. Si tratta di volumi contenenti informazioni dettagliate sulle acque costiere, sulle infrastrutture portuali, sugli strumenti di assistenza alla navigazione, sui venti, sulle maree, sulle correnti, sui pericoli per la navigazione, sulle rotte di avvicinamento e di entrata negli stretti e su altri dati che non sono normalmente indicati sulla carta di una determinata zona. Informazioni analoghe vengono fornite anche per la navigazione aerea, con indicazioni sulla topologia del terreno e sulle aerovie.

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Strumenti per la navigazione

Oggi vengono impiegati diversi strumenti per facilitare la navigazione, alcuni relativamente semplici da utilizzare, altri più complessi. Essi permettono di determinare posizioni e velocità, direzioni e distanze, di misurare la profondità delle acque, di facilitare la definizione della rotta ed effettuare osservazioni meteorologiche. Talvolta, per ottenere le informazioni desiderate, è necessario impiegare diversi dispositivi in combinazione.

La bussola è uno degli strumenti più antichi utilizzati a bordo delle navi. La bussola magnetica, nonostante sia stata quasi totalmente sostituita da quella giroscopica (o girobussola), sulle navi d’altura rappresenta comunque un fondamentale strumento di riserva, in quanto non soggetta a difetti elettromeccanici. Poiché la posizione dei poli magnetici non coincide esattamente con quella dei poli geografici, l’ago di una bussola non indica esattamente il Nord geografico se non in poche località. La differenza misurata in gradi tra la direzione dell’ago magnetico e quella del Polo Nord geografico è chiamata declinazione magnetica. A vantaggio dei navigatori sono state preparate molte carte in cui sono riportate le linee isogone, vale a dire le curve che uniscono i punti di uguale declinazione.

Il goniometro azimutale è utilizzato per determinare l’azimut di un oggetto celeste o terrestre; si tratta di un anello graduato con tacche, progettato per essere comodamente adattato a una bussola.

La velocità di una nave e la distanza percorsa vengono misurate per mezzo di particolari strumenti, detti solcometri, che possono essere puramente meccanici o basati su complesse tecniche elettromeccaniche.

Per determinare la profondità dell’acqua, un navigatore può utilizzare lo scandaglio o l’ecoscandaglio. Il primo consiste essenzialmente in un peso di piombo fissato all’estremità di una fune opportunamente graduata e viene impiegato nelle acque costiere o poco profonde in condizioni di scarsa visibilità. L’ecoscandaglio, presente sulla quasi totalità delle navi d’altura, indica la profondità dell’acqua misurando l’intervallo di tempo tra l’emissione di un segnale sonoro o ultrasonico e il ritorno della sua eco dal fondo. La quota di un aereo è invece determinata da un altimetro barometrico, da un radioaltimetro o da un sistema inerziale.

L’attrezzatura impiegata dai navigatori per tracciare la rotta è simile agli strumenti utilizzati per il disegno tecnico: compassi a punte fisse per misurare distanze e per disegnare cerchi, diagrammatori e tecnigrafi universali si trovano comunemente sul tavolo di carteggio di una nave.

I principali strumenti della navigazione astronomica sono il sestante e il cronometro. Il sestante è uno strumento a doppia riflessione che misura la distanza angolare tra due oggetti portando a coincidenza i raggi di luce che da questi provengono. È impiegato principalmente per determinare l’altezza (in gradi) dei corpi celesti sopra l’orizzonte. Il cronometro è un orologio molto preciso con un ritardo o un anticipo di marcia quasi costante, mantenuto sotto controllo per mezzo di segnali radio emessi da alcuni paesi in base ad accordi internazionali. Viene solitamente regolato sull’ora del meridiano di riferimento e permette di determinare la longitudine in mare. Inoltre, la maggior parte delle navi moderne utilizza sofisticate apparecchiature elettroniche.

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Navigazione stimata

La navigazione stimata si effettua determinando il percorso compiuto dalla nave da una posizione iniziale nota, fino a un istante considerato. Il calcolo viene svolto sulle carte nautiche in base ai valori noti della velocità e della direzione del moto e implica generalmente l’uso di concetti di geometria e trigonometria piana. Le posizioni successive vengono determinate a intervalli di tempo specificati in base alla lunghezza complessiva del viaggio e alla velocità media, e il percorso viene determinato con procedimenti di interpolazione.

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Navigazione in acque di pilotaggio obbligatorio

Il pilotaggio è la forma di navigazione più immediata e più antica. Si basa sul continuo riferimento a particolari geografici, ad esempio alla linea costiera o al profilo delle catene montuose, e nella maggior parte dei casi sull’uso di sistemi ausiliari quali radiofari, boe, fari e navi-faro; le sagome, i colori e le frequenze caratteristiche delle loro emissioni luminose permettono l’identificazione diurna e notturna. La navigazione in acque di pilotaggio obbligatorio è naturalmente molto impegnativa, poiché implica il movimento di navi in condizioni potenzialmente pericolose. Occorre la massima attenzione e precisione per riuscire a portare a termine con successo il pilotaggio di una nave, specialmente in acque costiere senza un’adeguata copertura di carte nautiche o in condizioni meteorologiche o di visibilità sfavorevoli. Una delle principali preoccupazioni di un navigatore in acque di pilotaggio obbligatorio, dove il traffico marittimo è più intenso rispetto al mare aperto, è quella di evitare collisioni con altri natanti.

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Maree, flussi di marea e correnti oceaniche

La pratica della navigazione è ulteriormente complicata dalla presenza degli effetti delle maree e delle correnti oceaniche. Questi effetti, che possono rivelarsi favorevoli o sfavorevoli, tendono a deviare la nave dalla sua rotta calcolata e a ridurre o ad aumentare la sua velocità. La comparazione tra posizioni stimate e punti calcolati rivela l’entità di questi effetti e spesso aiuta il navigatore a prevedere e a correggere le future influenze.

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Navigazione astronomica

Nella navigazione astronomica, comunemente utilizzata in mare aperto dove non è visibile la linea costiera, il punto nave (cioè la posizione della nave) viene determinato con metodi astronomici in base alla posizione osservata dei corpi celesti noti. Fu proprio per facilitare la navigazione che nell’antichità le stelle furono identificate e raggruppate in costellazioni. La navigazione astronomica rende possibili viaggi di migliaia di chilometri attraverso vaste distese di acqua prive di punti di riferimento, ma è fortemente condizionata dalla visibilità: la presenza di nubi, nebbia, pioggia, neve o foschia può impedire l’indispensabile osservazione del cielo. Per descrivere le posizioni dei corpi celesti viene adottato un sistema di coordinate basato su declinazione e angolo orario, anziché su latitudine e longitudine. Per gli scopi pratici della navigazione, le stelle sono considerate fisse sulla sfera celeste.

Le principali nazioni marittime pubblicano annualmente almanacchi nautici sui quali, in ogni periodo dell’anno, sono tabulate le coordinate dei corpi celesti utilizzati per la navigazione. Per poter utilizzare l’almanacco nautico, un navigatore deve stabilire accuratamente il momento dell’osservazione per mezzo di un cronometro. La misurazione del tempo si basa sulla rotazione della Terra e sulla conseguente rotazione apparente dei corpi celesti.

I sistemi di navigazione astronomica si basano sul concetto di triangolo di navigazione, o triangolo astronomico; si tratta di un triangolo sferico, i cui vertici rappresentano rispettivamente la posizione dell’osservatore, la posizione geografica del corpo celeste di riferimento e il polo geografico più vicino all’osservatore. La “soluzione” di questo triangolo, cioè il calcolo di tutte le entità geometriche che lo caratterizzano, fornisce la base per la determinazione di una linea di posizione astronomica, cioè di una linea formata dalle possibili posizioni della nave.

Un tempo questo tipo di problema veniva risolto con complessi calcoli di trigonometria sferica, ma oggi si utilizzano almanacchi nautici e apposite tavole numeriche. I metodi tabulari includono soluzioni precalcolate del triangolo astronomico per correlare qualsiasi posizione dell’osservatore rispetto a qualunque corpo celeste osservato.