Primaria Silvia Casu Scheda didattica Osservazione del cielo Fisica: Tempo

Costruisci il tuo orologio solare

Crea una meridiana orizzontale e scopri come misurare il tempo usando il Sole.

Obiettivi

Indagare sul trascorrere del tempo e sugli strumenti per la sua misurazione. Con questa attività, gli studenti scopriranno come misurare il tempo con una meridiana solare, costruita usando semplici materiali, la luce del Sole e un po’ di pazienza. Potranno poi confrontare i risultati del loro “orologio solare” con quelli ottenuti con strumenti più moderni.

Materiali

  • Bastoncino di legno di circa 60 cm
  • Una bussola
  • 12 pietre piatte di simile grandezza (tipo ciottoli di fiume)
  • Un orologio da polso
  • Quadernone e penna per prendere nota
  • Gessetti colorati

Informazioni preliminari

Il Sole

Il Sole è una stella, cioè una sfera di gas ad alta temperatura che emette luce e calore. È una stella molto speciale, perché la sua luce e il suo calore permettono la vita sul nostro pianeta. Ma nello stesso tempo è anche una stella molto normale: non è né grande né piccola, né giovane né vecchia. Nella nostra galassia esistono tantissime stelle come il nostro Sole.
È la stella più vicina al nostro pianeta, che le orbita intorno. Grazie al Sole noi misuriamo il tempo che passa. Sappiamo infatti che la durata di un giorno corrisponde alla durata di un giro completo della Terra su sé stessa, un giro in cui possiamo distinguere il giorno (quando siamo rivolti verso il Sole) e la notte. Sappiamo inoltre che la durata di un anno corrisponde al tempo che la Terra impiega a compiere un’orbita completa intorno al Sole.
Ma grazie al Sole, possiamo anche costruire un orologio e capire che ora del giorno è.
Prima di iniziare l’attività vera e propria, discutiamo con i bambini il concetto del tempo: sanno come si misura? Quali strumenti conoscono per misurarlo? Dopo aver introdotto l’importanza degli elementi astronomici nella definizione e nella misurazione del tempo, si può introdurre il fenomeno di cambiamento della posizione apparente del Sole nel cielo durante il giorno: il Sole è sempre nello stesso punto? Ed è sempre alla stessa altezza? Gli studenti potrebbero illustrare con disegni cosa succede durante una giornata, annotando la posizione del Sole ogni ora guardando dalla finestra della classe.

Attenzione!
Fate notare ai bambini che è molto pericoloso guardare direttamente il Sole! I nostri occhi sono infatti molto delicati e sensibili alla luce del Sole, che è molto potente e può seriamente danneggiarli. I danni potrebbero essere irreversibili!
Se avete tempo, provate a far loro costruire un visore solare sicuro, seguendo la scheda di questa attività presentata sul sito astroEDU: Costruisci un visore solare sicuro

I bambini noteranno che, al passare del tempo, la posizione del Sole apparirà sempre diversa, spostandosi da Est verso Ovest, e salendo fino al punto più alto a mezzogiorno per poi ridiscendere. Fate poi notare ai bambini come cambiano le ombre di alcuni oggetti proiettate sul terreno nel cortile durante le varie ore.
Sfruttando questa osservazione, proponete ai bambini di costruire un “orologio” che usi le ombre per misurare il tempo: una meridiana! Basterà usare un bastoncino, delle pietre e dei gessetti. Il bastoncino, che chiamiamo gnomone, proietterà un’ombra su una superficie piana, che chiamiamo quadrante. Quest’ombra sarà diversa a seconda dell’ora del giorno: sarà sufficiente prendere nota della posizione e della lunghezza dell’ombra a diverse ore del giorno per avere un orologio solare.

Descrizione completa

meridiana01Per poter svolgere questa attività serve uno spazio all’aperto, ampio e soleggiato durante tutto il giorno, come il cortile della scuola o una terrazza. L’attività può essere svolta anche in un parco durante una giornata di didattica all’aperto. Servono inoltre tempo e un po’ di pazienza.
Per prima cosa, scegliamo un punto del cortile ben esposto al sole, dove sia presente della terra o della sabbia ben pianeggiante. Se non dovesse esserci un luogo adatto, basterà prendere un sottovaso di plastica di diametro abbastanza ampio e riempirlo di terra o sabbia fino al bordo, pianeggiandola con l’aiuto di una paletta o anche solo con le mani
Prendiamo quindi il bastoncino e spingiamone una estremità nel terreno. Se non rimanesse in piedi, possiamo rafforzarne la base con l’aiuto di qualche piccola pietra.
La costruzione della meridiana va iniziata prima possibile, possibilmente appena dopo il sorgere del Sole. In ogni caso, con un orologio da polso annotiamo l’orario su un quaderno, osserviamo l’ombra proiettata dal bastoncino e usiamo un sasso per contrassegnare il punto terminale dell’ombra (v. foto). Con un gessetto colorato scriviamo l’ora nella pietra (in numeri arabi o romani, a scelta dell’insegnante).
meridiana02Ogni ora torniamo ad aggiornare la posizione dell’ombra, contrassegniamola con una nuova pietra e indichiamo l’ora con il gessetto. Per essere sicuri dell’orario, possiamo impostare un timer che ci avvisi ogni 60 minuti.
Ripetiamo queste operazioni possibilmente fino al tramonto, e comunque il più a lungo possibile. Alla fine della giornata avrai un rudimentale orologio che segnerà solo le ore. Il giorno dopo potremo verificare l’attendibilità dell’orologio solare confrontando la sua misurazione con un comune orologio da polso o con l’orologio del cellulare.
Discutiamo ora con i ragazzi.
In che verso si muove l’ombra dello gnomone? È lo stesso verso in cui si spostano le lancette dell’orologio?
Perché l’ombra cambia continuamente? Spiegate che, a causa della rotazione terrestre intorno al proprio asse, la posizione del Sole in cielo ci appare diversa. Poiché il bastoncino è fisso, anche l’ombra proiettata cambierà direzione. Seguendo tale ombra, possiamo dunque dire con buona approssimazione che ora è.

Discussione

  • La lunghezza dell’ombra rimane uguale ogni ora?
  • Quando il Sole è a sud e l’ombra punta verso il nord, è mezzogiorno. Si tratta del momento in cui il Sole raggiunge la sua altezza massima apparente in cielo. Non è detto però che tale momento corrisponda perfettamente alle ore 12 segnate dall’orologio. Sapete dire perché?

Ancora, molte persone si aspettano che a mezzogiorno il sole sia allo zenith e che dunque non venga proiettata alcuna ombra. In realtà un’ombra, seppur piccola, la troviamo sempre. Il Sole è allo zenith alle 12 soltanto in alcuni casi specifici: ad esempio all’equatore, durante gli equinozi, e ai tropici, durante i rispettivi solstizi.

Informazioni aggiuntive

Approfondimento 1

orologio_solare_loiano
L’orologio solare presente a Loiano – via INAF-OASBologna
L’attività presentata consente di capire come misurare lo scorrere del tempo usando le diverse ombre del Sole proiettate da uno gnomone sul suolo. Per creare una vera e propria meridiana orizzontale, lo gnomone però andrebbe inclinato verso il nord (magari con l’aiuto di una bussola), se siamo nell’emisfero boreale, verso sud invece nell’emisfero australe.
In questo modo, infatti, lo gnomone risulta parallelo all’asse attorno cui avviene la rotazione diurna della terra (e di conseguenza quella apparente del sole).

Approfondimento 2

Abbiamo visto che il principio di funzionamento di una meridiana è il movimento dell’ombra di uno gnomone proiettata su un quadrante. A seconda del piano del quadrante, esistono diversi tipi di meridiane. L’ombra può essere proiettata sul pavimento, o su una superficie piana orizzontale, e si ha una meridiana orizzontale. In questo caso, il tipo di ombre dipende solo dalla latitudine del luogo dove è stata installata la meridiana (e meridiane alla stessa latitudine ci appariranno uguali).
Viceversa, l’ombra può essere proiettata su un muro, e allora si avrà una meridiana verticale. Si tratta di un tipo di meridiane molto comuni sui muri di chiese e castelli. Le linee che mostrano le ore saranno in questo caso diverse a seconda della latitudine del sito. Se si usa una meridiana al polo nord d’estate, le linee orarie avranno una separazione di 15 gradi. Un giorno equivale a 24 ore e una rotazione corrisponde a 360 gradi: perciò, un’ora su una meridiana è rappresentata da 1 grado di rotazione.
Una meridiana equatoriale ha un quadrante parallelo all’equatore terrestre. Lo gnomone dovrebbe essere perpendicolare al quadrante in modo da essere inclinato di un angolo uguale alla latitudine dell’osservatore, e puntare dunque verso il nord reale. Le linee orarie sono spaziate di 15 gradi.
Se invece il quadrante viene fissato parallelamente all’asse di rotazione terrestre, con lo gnomone parallelo al quadrante, si ha una meridiana polare. Sono molto rare.
Attività: provate a vedere se nella vostra città ci sono meridiane che segnano l’ora locale usando il movimento del sole!

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La meridiana sulla parete esterna dell’Osservatorio Astronomico Ferdinando Caliumi, Lanusei. Courtesy Carlo Dessì

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Attività di gruppo supervisionata

Costo: Basso (meno di €5)


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