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Come si misura il vento? Origine ed evoluzione dell'anemometro

Il vento è stata la prima variabile meteorologica ad essere misurata con strumenti. Prima venne inventata la banderuola, in epoca classica, per determinare la direzione. Molto tempo dopo, nel XV secolo, apparve l'anemometro, che si è evoluto da allora fino ai giorni nostri.

Anemometro
L'anemometro a tazza è lo strumento di misurazione dell'intensità del vento più utilizzato.

Il vento è stata la prima variabile meteorologica ad essere misurata con strumenti. Il fatto che per caratterizzarlo siano necessarie due tipi di misurazione (direzione e intensità), ha portato allo sviluppo indipendente di dispositivi destinati a fornire le registrazioni di entrambi i parametri. La paletta prese il comando davanti all'anemometro, a cui dedicheremo questo articolo. I più antichi riferimenti alle banderuole ci riportano all'era classica. Di solito si indica che la prima banderuola della storia fu quella che – realizzata in bronzo e rappresentante il dio Tritone – incoronava la Torre dei Venti ad Atene (costruita nell'Agorà romana, nel I secolo a.C.). Tuttavia, nel Faro di Alessandria (eretto due secoli prima) si pensa che alcune delle statue bronzee che componevano la costruzione svolgessero la stessa funzione.

L'invenzione dell'anemometro non arrivò fino al XV secolo, se ignoriamo un dispositivo molto più antico che i Maya costruirono poco più di 3000 anni fa, e che, in maniera molto rudimentale, avrebbe potuto servire a fornire loro informazioni sull'intensità che raggiungeva il vento in un dato momento. L'apparecchio era costituito da una specie di canestro suddiviso in scomparti concentrici, su cui venivano fatte cadere palline da una vasca posta ad una certa altezza nella sua parte centrale. A seconda della forza del vento, le palline cadevano in punti più o meno lontani dal centro, il che permetteva di stabilirne l'intensità.

Alberti e anemometro meccanico
A sinistra: incisione di Leon Battista Alberti (1404-1472). Fonte: Archivio Hulton. Destra: Schematico dell'Anemometro meccanico inventato da Alberti intorno al 1450. Fonte: https://www.alamy.com/licenses-and-pricing/?v=1Https://www.alamy.com/right.

Risalendo al XV secolo – precisamente intorno al 1450–, troviamo riferimenti all'invenzione di uno strumento che fu il primo nel suo genere e che diede il via all'anemometria. Dobbiamo la sua invenzione al versatile architetto italiano Leon Battista Alberti. Progettò e costruì un anemometro meccanico a piastra basculante, come quello mostrato nella figura qui sopra. Alcuni anni dopo – tra il 1480 e il 1500 – Leonardo da Vinci (1452-1519), in uno dei suoi famosi codici, disegnò la sagoma di un dispositivo simile, entrambi con funzione di anemometro e segnavento.

L'invenzione dell'anemometro è erroneamente attribuita ad altri studiosi del Rinascimento, come lo stesso Galileo Galilei (1564-1642) o il dottor Santorio Santorio (1561-1636); anche personaggi degli anni successivi, come lo scienziato inglese Robert Hooke (1635-1703) o il fisico e professore all'Università di Padova Giovanni Poleni (1683-1761). Nonostante il suddetto anemometro a piastre basculanti continuasse a perfezionarsi, il sistema inventato da Alberti non riuscì a risolvere un problema insito nella natura del vento: la rafficosità.

La turbolenza dell'aria in prossimità della superficie terrestre provocava improvvise scosse di pressione sulla placca, rendendo impossibile ottenere una registrazione continua e affidabile dell'intensità raggiunta dal vento. Nonostante i limiti dello strumento, il fisico e meteorologo svizzero Heinrich Wild (1833-1902) riuscì a far approvare l'anemometro a piastra inclinabile al Congresso meteorologico internazionale di Vienna nel 1873. Quasi 30 anni prima, era nato un nuovo tipo di anemometro che avrebbe rivoluzionato la misurazione di intensità del vento.

Anemometro a coppette

Il salto di qualità nell'anemometria avvenne nel 1845, per mano del pastore, astronomo e fisico britannico J. Thomas Rommey Robinson (1792-1882); direttore per un lungo periodo dell'Osservatorio astronomico di Armagh, nell'attuale Irlanda del Nord. A lui dobbiamo l'invenzione dell'anemometro a coppette. Il reverendo Robinson ne progettò una composta da quattro coppe emisferiche montate su due bracci orizzontali che formavano una lama, che ruotava liberamente – in balia del vento – attorno ad un asse verticale. Il flusso d'aria, indipendentemente dalla direzione in cui soffiava, muoveva le coppe, ed era sufficiente contare i giri che facevano in un dato intervallo di tempo per determinare la velocità media del vento.

Anemometro Robinson
A sinistra: illustrazione dell'anemometro Robinson a 4 coppette originariamente utilizzato all'Osservatorio di Armagh nell'Irlanda del Nord, Regno Unito. Fonte: https://www.alamy.it/">https://www.alamy.it/a> destra: anemometro a tazza attualmente in uso. Fonte: © Pixabay

L'anemometro rotazionale a tazza è anche conosciuto come "Anemometro Robinson", in onore del suo inventore. Come accaduto per il piatto basculante, con il passare del tempo si è perfezionato. Nel 1926, il meteorologo canadese John Patterson (1872-1956) sviluppò l'anemometro a 3 tazze, che è ancora in uso oggi. Patterson scoprì che l'eliminazione di una tazza riduceva l'errore nella lettura dello strumento, rispondendo più rapidamente alle raffiche rispetto all'anemometro a 4 tazze. Da allora ci sono stati numerosi miglioramenti, sebbene siano comparsi altri anemometri basati su principi fisici diversi.

Anemometria moderna

Negli osservatori meteorologici il classico anemometro a tazza –accoppiato nella maggior parte dei casi ad una paletta– coesiste attualmente con quelli più moderni, come quelli a filo caldo o l'anemometro sonico. Per le misurazioni sul campo vengono utilizzati anche quelli manuali e digitali basati su tecnologia laser. L'anemometro a filo caldo, come suggerisce il nome, è costituito da un filamento metallico che viene riscaldato a una temperatura notevolmente superiore a quella dell'aria circostante. L'esistenza di una relazione nota tra la velocità del vento e la resistenza elettrica del filo caldo consente di determinare con precisione la prima.

Anemometro sonico
Anemometro sonico o ultrasonico, la cui fondazione si basa sull'emissione di impulsi ultrasonici. Fonte: https://metek.de/

Gli anemometri sonici o ultrasonici, come quello nella fotografia che accompagna queste linee, si basano sull'emissione di impulsi ultrasonici tra diverse coppie di trasduttori (convertitori di piccole quantità di energia). La durata degli impulsi tra le diverse coppie varia a seconda della velocità del vento. Misurando precisamente le variazioni di questi periodi di tempo, viene registrata l'intensità del vento. Uno dei vantaggi di questo tipo di anemometri rispetto agli anemometri a tazza è che, non avendo parti mobili, sono più resistenti alle lunghe permanenze all'aperto. L'ideale negli osservatori è avere anemometri di diverso tipo, in modo da sfruttare i vantaggi di alcuni rispetto ad altri in determinati aspetti.