STEP #12 - Nel cinema

Possiamo ritrovare il nostro strumento in diversi film riguardanti la navigazione aerea. In particolare, ho riportato delle immagini prese da alcuni film recenti, che illustrano lo strumento in una versione moderna e digitalizzata. 

1. 
   

in questo caso l'aereo sta rollando con l'ala sinistra verso il basso (l'orizzonte si muove mentre il puntatore rimane fisso)

                           2.

   

                           3.

   

Si può notare un orizzonte artificiale davanti al copilota (distinguiamo il cielo, azzurro, dalla terra, marrone)

Film di riferimento:

1 e 2 Flight (2012) di Robert Zemeckis, interpretato da Denzel Washington  

3. Sully (2016) diretto da Clint Eastwood, Tom Hanks attore protagonista.

Scenes:

Flight: https://www.youtube.com/watch?v=nGHP4uGImX4&t=443s minuto 2:28

Sully: https://www.youtube.com/watch?v=JSlbHK07fkY minuto 1:17

STEP #11 - I costruttori

Come riportato negli step precedenti, abbiamo avuto modo di "conoscere" l'inventore dell'orizzonte artificiale. In particolare, riportiamo una breve nota storica sull'azienda che diede il via alle costruzioni delle nuove tecnologie aeronautiche del secolo passato.

La Sperry Corporation (1910-1986) è stata una delle principali aziende americane di apparecchiature ed elettronica del XX secolo, mentre oggi esiste come parte di Unisys. L’azienda è conosciuta per aver sviluppato nuove tecnologie utili nell’aviazione, quali l’orizzonte artificiale e altri strumenti giroscopici (pilota automatico). Dopo la seconda guerra mondiale si interessarono all’elettronica, legata all’aviazione e, più tardi, ai computer. Venne fondata nel 1910 da Elmer Ambrose Sperry, come Sperry Gyroscope Company ma, nel 1918, Lawrence Sperry si sciolse dal padre fondando la Lawrence Sperry Aircraft Company. Dopo la morte di Lawrence, il 13 dicembre 1923, le due ditte vennero riunite.

Nel 1930, gli ingegneri della Sperry Gyroscope, lavorarono con James Harold Doolittle (generale ed aviatore statunitense) per sviluppare i primi artificial horizon.

link immagine

L'azienda svilluppò altre tecnologie militari degne di nota, quali il bombardiere, il mirino giroscopico e il "director" (computer meccanico o elettronico che calcola continuamente soluzioni di tiro trigonometriche da utilizzare contro un bersaglio mobile).

Storia Sperry Corporation: https://en.wikipedia.org/wiki/Sperry_Corporation

Parliamo ora di aziende più recenti, in particolare troviamo qui elencato qualche nome:

• Mikrotechna Praha A.S. (Repubblica Ceca)
• Sandel Avionics (USA-California)
• Century Flight System Inc. (USA-Texas)
• Aviatec SRL (Torino)
• Kelly Manufacturing Company (USA-Kansas)
• Flybox Avionics (Italia)

Link pagina costruttori: https://www.aeroexpo.online/it/fabbricante-aeronautico/orizzonte-artificiale-motore-elettrico-5509.html

STEP #10 - I libri

Qui viene riportata una breve bibliografia più o meno storica, in quanto l'orizzonte artificiale (parlando dell'attitude indicator degli aerei) risale agli inizi del XX secolo.

Articolo di periodico scientifico: An Artificial Horizonfor Sextants, in Scientific American Volume 97, Issue 25, 457 , December 1907

Articolo di periodico scientifico: Come funziona l’orizzonteartificiale?, Focus, sez. Tecnologia e Innovazione, 28 giugno 2002

Saggio scientifico: Alexander Bridport BECHER, Description of an Artificial Horizon invented by A. B. Becher manufactured by R. B. Bate, Nautical Press,  gen 1844    

Capitolo di libro: Ferdinando Flora, Astronomia nautica , cap XII-XIII,  Milano: Ulrico Hoepli,1986

 

STEP #9 - L'inventore

Lawrence Sperry (Chicago, 21 dicembre 1892 – Canale della Manica, 13 dicembre 1923) è stato un aviatore ed inventore statunitense. 

Lawrence Sperry

Figlio di Elmer Ambrose Sperry, inventò il primo autopilota ed è anche considerato l'inventore dell'orizzonte artificiale. Fondò la Sperry Aircraft Company nel 1917 per perfezionare il girostabilizzatore e altri strumenti di volo. 

Tra le creazioni della compagnia vi era la girobussola, adottata dalla U.S. Navy e da molti altri paesi durante la prima guerra mondiale; cosi come il “siluro” aereo, utilizzato per contrastare la “minaccia sottomarina” tedesca. In totale, la compagnia deteneva più di 400 brevetti per nuove invenzioni in diversi settori dell’industria, invenzioni necessarie soprattutto dal punto di vista militare.   

                                    Lawrence Sperry (left) about to test his gyroscopic autopilot

Glenn H. Curtiss Aviation Museum

https://www.nationalaviation.org/our-enshrinees/sperry-sr-lawrence-burst/

https://www.cnbc.com/2019/07/19/how-autopilot-was-born-a-century-ago1.html

Ricostruita la 'bicicletta volante' di Leonardo Da Vinci

Il primo orizzonte artificiale della storia?

Il progetto, ad ali battenti, proviene dal foglio 897 del Codice Atlantico che contiene due varianti della stessa idea, rispettivamente con uno e due piloti. E' stato fatto da Leonardo da Vinci in giovane età, come ricorda il curatore della ricostruzione Edoardo Zanon: ''Leonardo svilupperà in seguito soluzioni per il volo planato più efficaci. Nonostante ciò, il progetto nasconde un particolare tecnicamente straordinario: di fronte al viso del pilota, Leonardo disegna un'ampolla rovesciata al cui interno dondola un piccolo oggetto: si tratta probabilmente del primo orizzonte artificiale della storia. Il batacchio indica al pilota l'inclinazione della macchina e l'assetto di volo''.

Modello 3D bicicletta :

http://www.3d-virtualmuseum.it/opere/lombardia-milano-leonardo3-museum-bicicletta-volante

http://www.leonardo3.net/it/l3-works/macchine/1497-bicicletta-volante.html

STEP #8 - I materiali

A seconda del campo di utilizzo del nostro strumento, possiamo distinguere diversi tipi di materiali utilizzati per la sua costruzione.
Ad esempio, in nautica, il materiale fondamentale per il suo utilizzo è il vetro, oltre ad avere una vaschetta per il liquido (mercurio) solitamente realizzata in legno. 

Orizzonte artificiale inglese - Tetto a forma di copertura a vetrata a 90 gradi in ottone annerito Valore: £ 390,00 GBP – Periodo Circa: 1840 – Paese di origine: Inglilterra

link immagine

In aeronautica, possiamo prendere in esame la sua parte più fondamentale, ovvero il giroscopio. Esso è costituito da una ruota centrale o rotore che è montato in una struttura di anelli detti cardanici. Può ruotare su minuscoli cuscinetti a sfera, pietre preziose levigate o sottili pellicole d'aria o di gas. Alcuni funzionano interamente nel vuoto, sospesi da una corrente elettrica, non toccano nulla e non si sviluppa alcun attrito. Un giroscopio ha quattro set di componenti di base. Questi sono il motore, i componenti elettrici, le schede dei circuiti elettronici per il funzionamento programmato e gli anelli dell'asse e del giunto cardanico. 

L'alluminio è un metallo molto utilizzato per le sue caratteristiche di dilatazione e resistenza, ma i giroscopi più sofisticati sono realizzati in titanio. 

http://www.lichtco.cz/side_hor_uk.htm

STEP #7 - Il mito

Aker (anche Akar o Akher) è una divinità egizia appartenente alla religione dell'antico Egitto che personificava l'orizzonte.

Simbolo: 

Raffigura il sole che sorge tra due montagne affiancato anche da due leoni  detti Sef e Duau, rispettivamente ieri e oggi in antico egizio. Aker fungeva da guardiano alle due porte, orientale e occidentale, del mondo sotterraneo, attraversato dal sole durante la notte.

Nel Libro della Caverna si dice che all'intemo del corpo di Aker giacciono le spoglie di Osiride, il che fa pensare che in origine questo mostro avesse un ruolo di inghiottitore del sole.

Nei Testi delle Bare del periodo del Medio Regno, Aker sostituisce il dio Kherty, diventando il traghettatore di Ra sulla sua barca notturna. Protegge il dio del sole durante i suoi viaggi notturni attraverso le caverne dell'aldilà. 

Nel Libro dei Morti, Aker dà alla luce il dio Khepri, il giovane sole nascente, in forma di scarabeo, dopo aver trasportato il sarcofago di Khepri attraverso le grotte dell'aldilà. In altre scene ambientate nell'aldilà, Aker trasporta la barca notturna di Ra, e, durante il suo viaggio, gli viene chiesto di nascondere il cadavere di Osiride sotto al suo grembo, mentre viene protetto dal dio Geb.

Link di riferimento:

http://ilcrepuscolo.altervista.org/php5/index.php?title=Aker

https://it.wikipedia.org/wiki/Aker

STEP #6 - Il simbolo

Essendo l’indicatore d’assetto uno strumento più o meno recente, potremmo considerare questi come simboli moderni che lo identificano:

Simbolo di una pagina web di notizie e media sull'aviazione

https://www.facebook.com/LOrizzonteArtificiale/

https://it.wikipedia.org/wiki/File:Attitude_indicator_climbing.svg

In azzurro il semicerchio che indica la parte del cielo e in nero quello che indica terra. L’aereo è rappresentato dal simbolo stilizzato con il pallino al centro. Le tacche bianche rappresentano la scala di rollio.

http://www.lichtco.cz/side_hor_uk.htm

“All gyroscopic instruments should be mark on the cover with this label, which calls for special care”

STEP #5 - Il principio fisico ( parte 2 )

Navigazione aerea

In questo caso il girorizzonte ("attitude indicator") si basa sul funzionamento del giroscopio ("gyroscope"). E’ un corpo rigido costituito da un rotore a forma di toroide che ruota intorno al suo asse e tende ad opporsi ad ogni tentativo di cambiare il suo orientamento.

Nel disegno, il disco marrone rappresenta un corpo in grado di muoversi intorno al proprio asse, al quale può essere applicata una forza di rotazione, indicata con la freccia rossa. Quando il disco comincia a ruotare si crea un momento angolare:

L = I x ω  (I momento di inerzia, ω velocità angolare)

Secondo la legge di conservazione del momento angolare, il valore di L rimane costante se non viene applicata alcuna forza, e cioè un momento meccanico τ :

                                                                τ = dL/dt  

L’asse intorno a cui il sistema ruota cercherà di puntare sempre nella stessa direzione della rotazione. Il momento applicato fa in modo che la ruota giri lungo la traiettoria circolare vincendo la forza di gravità che tenderebbe a far cadere il disco verso il basso.

Il moto che ne deriva è detto precessione. La velocità angolare di precessione del vettore L, che denotiamo come Ω_P, è data da:            

                                                                 τ = Ω_{P X} L

https://quantizzando.it/2016/02/05/come-funziona-un-giroscopio/ 

 https://youtu.be/7LWpVZM7wCM

 https://youtu.be/DsOU0WEc6OU

        

                

STEP #5 - Il principio fisico ( parte 1)

In nautica

Il tipo più comune di orizzonte artificiale, è costituito da una vaschetta di ferro rettangolare o circolare, nella quale si versa mercurio ( in generale un liquido viscoso per ridurre l'interferenza del vento), la superficie del quale, quando è immobile, è una superficie perfettamente orizzontale. Viene utilizzato insieme al sestante, per misurare l'altezza di un astro quando l'orizzonte è invisibile, il quale basa il suo funzionamento sulla doppia riflessione della luce (link utile: Navigazione astronomica)

Poiché la lettura del sestante effettuata con un orizzonte artificiale deve essere divisa per due, la massima altezza che può essere misurata con un orizzonte artificiale è la metà del massimo angolo leggibile sul sestante. 

link: funzionamento con sestante

Bibliografia: Ferdinando Flora, Astronomia nautica , Milano: Ulrico Hoepli, 1986, pag. 282

STEP #4 - La scienza

Iniziando a conoscere il nostro strumento, abbiamo distinto due campi di utilizzo di quest'ultimo, di conseguenza possiamo considerarlo appartenente a due tipi di scienze (una più antica e una recente):

•     Navigazione astronomica
•     Avionica

L’astronomia è la scienza che studia i corpi celesti, le loro proprietà, natura ed evoluzione. Con le competenze acquisite in questa disciplina gli uomini di mare del tempo passato erano in grado di orientarsi durante la navigazione ( da qui si definisce la Navigazione Astronomica), attraverso strumenti quali il sestante. Nelle scienze astronomiche e cosmologiche l'orizzonte artificiale viene usato dagli astronomi per determinare con esattezza la direzione dello zenit o del nadir, o per avere uno sdoppiamento dell'immagine dell'astro, come nell'astrolabio di Danjon, quando l'orizzonte è invisibile. La prima astronomia quantitativa ed elaborata per iscritto fu quella mesopotamica (Babilonesi, Assiri e Caldei), ma già nella preistoria vi era una grande attenzione verso lo studio dei movimenti del Sole e dei corpi celesti (ne sono la testimonianza i monumenti megalitici, come quello di Stonehenge).

Il termine "avionics" (avionica) è stato coniato dal giornalista Philip J. Klass come contrazione del termine inglese aviation electronics ("elettronica per l’aviazione"), ed in generale riconosciuto come strumentazione di bordo. E’ definita come la disciplina che ha come oggetto la progettazione integrata delle apparecchiature elettroniche installate a bordo degli aeromobili e destinate all’acquisizione, all’elaborazione e alla presentazione delle informazioni utili al compimento del volo programmato. Molti dei moderni sistemi avionici ebbero origine con gli sviluppi tecnologici a seguito della seconda guerra mondiale, in concomitanza con sviluppo dell’elettronica. Ne sono l’esempio i sistemi autopilota, i primi radar e i sistemi di radiotelefonia installati sugli aeromobili.

Link di riferimento: 

https://www.treccani.it/enciclopedia/

https://it.wikipedia.org/wiki/Avionica

https://www.sapere.it/sapere/enciclopedia

 

STEP #3 - Glossario

Assetto: In aeronautica, la posizione di equilibrio risultante dalle forze e dalle reazioni statiche o dinamiche agenti sull'aeromobile.

Beccheggio: termine che indica l'oscillazione di un'imbarcazione o di un velivolo intorno al proprio asse trasversale (asse di beccheggio).

Giroscopio: dispositivo fisico rotante che, per effetto della legge di conservazione del momento angolare, tende a mantenere il suo asse di rotazione orientato in una direzione fissa.

Linea d'orizzonte: linea apparente che separa la terra dal cielo, che divide tutte le direzioni visibili in due categorie: quelle che intersecano la superficie terrestre, e quelle che non la intersecano. L'intersezione risultante tra terra e cielo si chiama orizzonte visibile.

Rollio: oscillazione di un'imbarcazione o di un velivolo intorno al proprio asse longitudinale (asse di rollio).

Sestante: strumento ottico usato, su navi e imbarcazioni, nella navigazione astronomica, ovvero per rilievi topografici e idrografici, come un goniometro in grado di misurare gli angoli tra le visuali di oggetti lontani visti da uno stesso punto di osservazione.

Strumentazione di bordo: serie di strumenti a disposizione del pilota utili per mantenere in volo il proprio velivolo sulla rotta di navigazione.

STEP #2 - L'immagine

 In ambito nautico

Raro orizzonte artificiale, brevetto "pocket" di Louis Casella

Descrizione: orizzonte artificiale firmato Louis Casella, brevetto London N°516, con serbatoio di mercurio, con azione apri e chiudi che permette il flusso di mercurio nella sezione dei piano in vetro.

Sito di riferimento: Strumenti nautici

Orizzonte artificiale "Bandieri" (XIX°)

Bibliografia: Catalogo generale strumenti IGM 1922 

Dimensioni: Lunghezza 100 mm , larghezza 100 mm , altezza 95 mm

Sito di riferimento: Museo strumenti

Navigazione aerea

Un antico orizzonte artificiale sovietico, in questo caso è l'indicatore dell'aereo a muoversi

Sito di riferimento: Orizzonte artificiale

STEP #1- Il nome

L'orizzonte artificiale è uno strumento scientifico utilizzato in diversi ambiti della navigazione. 

In marina, prende il nome di livella a bolla d’aria ( un tempo "vaschetta di mercurio") ed è utilizzata insieme ai sestanti quando la linea dell'orizzonte è invisibile per via di determinati eventi naturali (quali burrasca, nebbia, ecc...), fornendo una linea al riferimento orizzontale. 

Nella navigazione aerea, funge come strumento indicatore da cruscotto (detto anche indicatore d’assetto, e più spesso orizzonte giroscopico o girorizzonte), impiegato per il controllo dell’assetto longitudinale e laterale dell’aeromobile, indipendentemente da qualsiasi riferimento visivo esterno (è quindi indispensabile nel volo cieco).

Alcune traduzioni 🗺🌍

• Inglese: Artificial Horizon
• Tedesco: Künstlichen Horizont
• Francese: Horizon Artificiel
• Cinese: 人工視界

Etimologia 🔍

dal lat. horizŏnta, nom. horīzon, che è dal gr. horízōn -ontos (sottinteso kýklos ‘circolo’), part. pres. di horízein ‘delimitare’; propr. ‘circolo che delimita’.

dal lat. artificialis, der. di artificium «artificio».