CENNI SULLA STORIA DEGLI STRUMENTI TOPOGRAFICI 

E’ opinione comune che l' agrimensura, ovvero l'arte di misurare i terreni, sia sorta nell’ antico Egitto a seguito dell’ esigenza di riconfinare i terreni agricoli, dopo le periodiche piene del Nilo.

La topografia (dal greco topos = luogo e grafos = descrizione) è la disciplina che studia i metodi e gli strumenti più razionali atti a formare una rappresentazione cartografica del territorio nelle sue svariate forme e caratteristiche naturali ed artificiali.

Possiamo considerare la nascita della topografia, come scienza nel senso moderno, a partire dal XVI-XVII sec. grazie all’ applicazione del metodo della triangolazione da parte di Snellius nel 1616.

E’ certo, comunque, che la nascita del rilevamento sia strettamente correlata con la necessità di rappresentare il terreno per delimitare la proprietà, ai fini fiscali e per scopi militari.

Le prime creazioni  cartografiche, risalenti al Terzo Millennio a. C., sono dovute ai Babilonesi ed agli Egizi.

La cartografia è il complesso di operazioni che, sulla base dell’ elaborazione delle informazioni raccolte nel corso dei rilevamenti del territorio,  da forma alla carta che viene definita topografica, se molto dettagliata e a grande scala o geografica se a piccola scala, semplificata ed ovviamente meno particolareggiata.

La topografia e la cartografia sono quindi due discipline strettamente correlate.

Già nell’ antichità, le prime misurazioni di lunghezze, e quindi di distanze, furono eseguite in maniera diretta, con unità tratte da elementi del corpo di colui che le attuava: braccio, palmo, spanna, piede, passo, tesa (distanza fra le punte del dito medio a braccia spalancate). Solo in seguito, pur mantenendo l’ originale  nomenclatura, vennero stabilizzate e rese convenzionali, mediante l’ utilizzo a tal proposito di aste “campione” realizzate in legno o in metallo;  per la misura di lunghezze maggiori venivano impiegate  corde cerate o più raramente catene di ferro.  Di tarda epoca romana è l’ ideazione dell’ odometro,  per la misura delle distanze percorse.

In epoca egizia veniva già usato come allineatore il  filo a piombo che poi crebbe d’ importanza presso i  romani con il perfezionamento della Crocera o Groma. Questa consisteva essenzialmente in una croce metallica alle cui estremità venivano fissati quattro fili a piombo utilizzati come traguardi su allineamenti ortogonali.

Le prime misure angolari vennero fatte nella  Grecia classica, con la meridiana in seguito esportata a Roma, per poi evolversi con l’ uso dell’ astrolabio e nel Medioevo col “quadrato geometrico".

Sempre in età romana, assunse notevole importanza la misurazione dei dislivelli, considerato il rilevante  e complesso sistema di acquedotti di cui poteva vantarsi l’Urbe. Lo strumento principe, nella specialità era il chorobates. Questo consisteva in un’ asta di legno lungo sei metri avente alle estremità due bracci. Nella faccia superiore del regolo veniva scavato un canaletto, che andava riempito d'acqua, per verificare ed ottenere l’ orizzontalità, anche con l’ ausilio dei fili a piombo di cui era dotato il sistema. Per le livellazioni di inferiore precisione venivano usati l’ archipendolo, il traguardo (lychnia) ed il livello ad acqua, già provvisto dei due bicchieri di vetro.

Nel Medioevo, non vi furono particolari sviluppi neppure in campo topografico, mentre a partire dal rinascimento fino al ‘600 le innovazioni furono molteplici e notevole apporto seppe dare anche la grande scuola italiana ricca di scienziati ed abili costruttori.

In seguito, ma siamo già nel ‘700, gli abili artigiani “artisti” francesi, seppure soffocati dal ”cappio” delle intransigenti corporazioni di “arti e mestieri” seppero produrre strumenti di grande importanza, destinati alle  principali Specole d’ Europa oppure, grazie all’ eccellente fattura, alle corti come “Objet de Salon”. Ma nel XVIII secolo fu la Gran Bretagna con l’ ingegno della sua scuola ottico meccanica ad avere l’ egemonia nella produzione di strumenti  di geometria pratica (nda. accomuniamo così per sintesi,  comprendendo strumenti topografici e geodetici).

Poi  dall’ inizio del nuovo secolo la supremazia passò alla Germania, che era in grado di garantire oltre ad un’ ottima fattura costruttiva anche una rapida fornitura in tutta Europa. Solo nella seconda metà dell’ 800, grazie anche al genio di uomini come Ignazio Porro, la produzione italiana di strumenti di geometria pratica poté tornare in auge.

Come esempio della limitata presenza di costruttori nell’ ancor frastagliato territorio italiano all’ inizio del XIX  secolo si consideri che i nomi illustri erano tutti legati alle Officine dei vari Osservatori. Alla Specola di Padova il Rodella ed il suo allievo Stefani, il Barbanti a Torino, l’ austriaco Megele e poi i Grindel alla Specola di Brera. Uno dei più importanti scienziati costruttori della prima metà dell’ 800,   attivo presso il Regio Museo di Fisica di Firenze, fu Giovan Battista Amici. Nello stesso periodo, poche furono le  botteghe di artigiani con produzioni quantitativamente degne di nota: da ricordare senza dubbio Pasquale Cittelli attivo a Milano già all’inizio del secolo, e più tardi l’ Istituto Meccanico Belvedere di Torino, diretto dal Porro e attivo dal 1839 al 1847.

La nascita del teodolite moderno

La necessità di eseguire rilievi topografici è nata quindi in tempi antichi. Tuttavia i primi decisivi sviluppi degli strumenti e delle tecniche di rilievo, avvengono solo a partire dal XVI secolo, grazie anche all’ impulso dato dalle esplorazioni geografiche e al bisogno di “rappresentare” e quindi prima di “misurare” i nuovi territori.

In questo periodo vengono ideati molti degli strumenti topografici che, concettualmente inalterati seppur tecnicamente migliorati, sono sopravvissuti fino ai nostri giorni:

La tavoletta pretoriana,  il cui nome deriva dal matematico ed astronomo tedesco  Johann Richter detto Praetorius (1537-1616); c’ è però chi attribuisce l’ invenzione a Thomas Digges che la descrive  in una sua opera del 1591.  Questo goniografo, largamente usato ancora fino a pochi decenni or sono,  per i rilevamenti nelle medie e piccole scale, è costituito da una tavola di legno detta specchio (circa 50 x 70 cm), unita ad una base supportata da un treppiede: la base, negli esemplari meno datati, consente il livellamento, essendo munita di razze calanti. Sullo specchio viene posta una diottra che, negli strumenti più recenti è a cannocchiale distanziometrico, la cui base è costituita da una riga metallica graduata che rappresenta la linea di fede. Il punto di stazione si ottiene utilizzando una squadra zoppa. In dotazione alla tavoletta, per l’ orientamento,  è data una bussola o un declinatore magnetico. Questo strumento permette di tracciare il rilievo sul foglio, direttamente in campagna.

Le distanze venivano misurate con le catene agrimensorie, con le canne  (es. il trabucco, nel milanese), con il compasso agrimensorio o con l' odometro (waywiser): sono ancora lontani i tempi di  Porro e della tacheometria, anche se già nel 1674 il bolognese Geminiano Montanari (1633-1687) ideò la livella diottrica, dotata di cannocchiale con oculare distanziometrico usato con stadia a scopi.

Lo squadro agrimensorio o bussolo, come anticamente era conosciuto, è uno strumento di origini remote: Muzio Oddi (1569-1639) matematico e gnomonista italiano, nella sua pubblicazione,  “Dello squadro” (1625) ne illustra le forme e le versatilità di utilizzo.  In sintesi, lo squadro consente di determinare allineamenti semplici, perpendicolari e a 45 gradi. Nella sua forma classica, all’ italiana,  consiste in una scatola metallica di forma cilindrica; in Francia è spesso foggiato a prisma ottagonale. Nel corpo del cilindro sono praticate strette coppie di  fessure che servono, di volta in volta, da obbiettivo o da oculare. Per consentire allineamenti in zone montuose, le fessure sono riportate anche sul coperchio del cilindro: anche in epoche più remote, sono stati costruiti a tale scopo, degli squadri di forma sferica ed ovoidale. Sotto la base è applicata una sede troncoconica per l’ innesto a bastone.

Il grafometro venne inventato verso il finire del XVI secolo, a Parigi, da Philippe Danfrie (c. 1532-1606) incisore, ingegnere e inventore di strumenti scientifici. Lo strumento è presentato nel trattato “Declaration de l'usage du Graphometre”, pubblicato a Parigi nel 1597
Si tratta di un semicerchio graduato, in genere provvisto di bussola,  con una linea di mira fissa sul semicircolo, ed un’ alidada girevole sulla graduazione. Lo strumento è provvisto di innesto a perno  per treppiede.

Nella seconda metà del XVIII secolo vi furono anche effimeri tentativi di realizzare strumenti alternativi, più economici,  ad esempio il quadrante di Lind  che aveva il duplice pregio di    essere realmente “tascabile” e costare la metà di un piccolo teodolite (a quei tempi un   piccolo teodolite di 4 pollici di diametro, costava circa 10 sterline, uno da 9 pollici 42   sterline; il salario settimanale medio di un lavoratore
era di 8 scellini, pari a circa 20 sterline annue).

Strumenti di questa tipologia vennero realizzati anche dal celebre ideatore e costruttore  inglese  di   apparecchi scientifici, George Adamssenior  (1709-1772) e da suo figlio George Adams  Junior (1750-1795).  Quest ultimo,   che successe al padre come costruttore di strumenti matematici  del   re             d'Inghilterra   Giorgio III, pubblicò vari trattati sugli strumenti   scientifici, tra i  quali: “Geometrical and graphical essays, containing, a general description of   the   mathematical  instruments used  in geometry,   civil and military surveying,   levelling  and perspective . In  questa  pubblicazione (Londra 1791) viene  descritto il primo vero   teodolite altazimutale di  concezione  moderna: lo strumento   è  attribuito a Ramsden.

Jesse Ramsden (1735-1800) fu uno dei più famosi costruttori inglesi di strumenti  scientifici del ‘700,   celebre, tra le altre cose, anche per la  realizzazione   della più     precisa macchina a dividere i cerchi dei suoi  tempi.    

    La particolarità del teodolite di Ramsden, rispetto a quelli seppur simili, costruiti dagli Adams,  è  quella di avere il cerchio orizzontale ed i vernieri, divisi su lembo conico e di possedere due cannocchiali: quello inferiore, detto di spia, ha lo scopo di controllare che lo strumento mantenga l’ orientamento durante le operazioni di rilievo; il superiore, invertibile, porta una livella a bolla. I movimenti sono comandati da pignoni e cremagliere. Il teodolite è inoltre dotato di bussola magnetica collocata sul  piatto dell’alidada; il  basamento è a quattro razze calanti.

Strumenti aventi questa conformazione, ossia con il semicircolo verticale ed il sovrastante cannocchiale “portati” da due supporti ad “V” rovescia, seppure con qualche modifica (una tra tutte, l’ adozione delle viti di bloccaggio e di scrupolo, anziché i movimenti a cremagliera), sono stati prodotti sino ai primi del ‘900. Numerosi gli esempi, soprattutto di costruttori inglesi, come: Berge il successore di Ramsden, Jones, Troughton, Cary, ecc. solo per citarne alcuni.

La variante più diffusa, adottata invece dai costruttori  in tutti i paesi d’ Europa ha previsto  l’ introduzione del cerchio verticale intero posto a lato del cannocchiale.

                 Alcuni modelli differenti come ad esempio il teodolite di Lenoir,  prodotto dal celebre ed abilissimo costruttore francese Etienne Lenoir  (1744-1832),   sicuramente più conosciuto per l’ ideazione e la realizzazione del “circolo di riflessione” e del  cerchio ripetitore, sono provvisti di  particolari meccanismi a vite senza fine con  possibilità di sblocco e con viti di  scrupolo,in   realtà  hanno avuto una   diffusione    più  limitata, influenzando semmai il futuro sviluppo  degli “azimutali” francesi (circoli d’  allineamento).

               Radicali innovazioni avvennero agli inizi del XIX secolo, quando l’ ingegnere Georg Friedrich von Reichenbach (1771-1826) meccanico  e ottico tedesco, che fu uno dei maggiori costruttori dell'Ottocento, con la collaborazione del  fabbricante di orologi Joseph Liebherr e dell’ imprenditore Joseph  von Utzschneider  fondarono, nel 1802, l’ omonimo istituto meccanico.  Frutto di questa unione fu l’    ideazione, nel  1804, del primo teodolite ripetitore  e  successivamente di  importanti strumenti, destinati alle principali specole d’ Europa, che  ebbero parte  attiva nella formazione dei catasti  ottocenteschi.

 Ma sono già “tempi moderni”: ritorniamo quindi per un attimo al teodolite di Ramsden.
 
  Oltre allo stesso Ramsden,   tralasciando i gia citati esempi ottocenteschi, qualche altro costruttore suo contemporaneo si cimentò nella costruzione di strumenti di questa foggia: pochi esempi sono sopravvissuti fino ai nostri giorni, di altri ci  è giunta solo qualche   traccia.

Il Teodolito di Venturini – Pessuti

Abbiamo potuto constatare che il primo strumento di tal genere fatto in Italia, venne realizzato attorno al 1792 da  Giuliano Venturini, con la supervisione del matematico abate Gioacchino Pessuti, a seguito dell' esigenza di eseguire rilievi accurati della pianta di Civitavecchia per i nuovi  lavori di fortificazione. Il Venturini venne incaricato, in primo luogo, della realizzazione di un livello di tipo Ugeniano e poi, considerati i risultati particolarmente soddisfacenti, anche della costruzione del più complesso teodolite tipo  Ramsden. 

Tale strumento, esaurito l’ uso per il quale venne fabbricato, fu affidato al Gabinetto di Fisica dell' Archiginnasio della Sapienza.

Ciò si evince da quanto dichiarato dallo stesso Pessuti nella Sua pubblicazione illustrativa "Descrizione maneggio ed usi del teodolito istrumento più di qualunque altro sicuro spedito ed universale...." (Roma, Zempel, 1794). Come ulteriore conferma dell’ esistenza dello strumento, nel Catalogo, del 1815, delle macchine destinate per l’uso della Fisica Sperimentale nell’ Archigimnasio della Sapienza di Roma,  si specifica che nel quarto armadio è conservato: "una cassa di noce con dentro il nuovo teodolite, i pezzi del quale sono qui sotto descritti, con il suo tripode". Inizia poi la descrizione di vari pezzi tra cui un cannocchiale dotato di livella a bolla d'aria, un semicerchio verticale ecc.; "il suddetto  teodolito serve per l'usi geodetici, idrostatici,  geografici ed astronomici come il tutto pienamente resta  descritto nella descrizione stampata in Roma presso Giovanni Zempel nell'anno 1794".

Purtroppo, nel catalogo 1865 di detto strumento non vi è più traccia.

Nel citato libro del Pessuti non si fa però alcun riferimento diretto a Ramsden, viene invece citata  la pubblicazione di Adams, la quale, come asserisce lo stesso Pessuti, è piuttosto sintetica e certo non illuminante. Considerato che i parametri costruttivi vengono qui divulgati solo sommariamente, a nostro parere, per poter realizzare  uno strumento così complicato, sarebbe stato necessario l’ ausilio di un esempio pratico.

Tale modello, in Italia, era forse già presente e non molto distante da Roma. A Firenze infatti, presso il Museo Galileo – istituto Museo di Storia della Scienza, è tuttora conservato un teodolite molto simile, proveniente dalle collezioni lorenesi, e prodotto dalla ditta Nairne & Blunt (1774-1793) di Londra. E’ quindi probabile che il Pessuti abbia potuto visionare direttamente uno strumento “tipo Ramsden” traendone i necessari spunti.  

                       E’ evidente comunque che il Pessuti non si sia limitato a riprodurre uno strumento inglese ma, con la sua opera,  a contribuito alla   divulgazione ed allo sviluppo del teodolite moderno.

Il Teodolito di Rostriaga

Come nell’ Italia del XVIII secolo, anche nella penisola Iberica, non esistevano importanti atelier specializzati nella costruzione di strumenti scientifici: l’ eccezione fu forse la famiglia Rostriaga, la cui produzione però non è stata particolarmente copiosa.

Don Diego Rostriaga fu un celebre scienziato e costruttore di strumenti spagnolo. Nato a Castilforte,  odierna provincia Guadalajara, nel 1713 e morto a Madrid nel 1783.

Figlio di gente comune, grazie all’ aiuto di un parente, venne mandato a studiare presso il Convento Reale di Atocha a Madrid. Nel tempo liberò si dilettava nella costruzione di orologi, dapprima di legno, servendosi di un modello proveniente dalla Germania, poi di metallo. Vista questa sua inclinazione venne, assunto come apprendista da Fernando Ninez, stimato artista e orologiaio del Re Ferdinando VI.

Ninez si affezionò particolarmente al giovane Rostriaga e gli insegnò la matematica e la meccanica applicata alle arti.

Aiutato dal suo maestro  e protettore, costruì casa ed atelier a Madrid e si specializzò nella costruzione di orologi. Per incarico della Casa Reale costruì gli orologi da torre del Palazzo Reale, del Buen Retiro, della Aduana e del convento di San Pascual de Aranjuez.

Per ordine del Conte di Gazola costruì anche la collezione di strumenti di fisica necessari per il nuovo Collegio Reale di Artiglieria stabilito nell' Alcázar di Segovia. Il Re fu così soddisfatto del risultato che,  nel 1764,  nominò Rostriaga ingegnere di fisica e di strumenti matematici e gli commissionò la costruzione di vari strumenti, tra i quali: una macchina per il vuoto, pirometri, giochi matematici e  sfere armillari.

Nel 1770,  con la supervisione del matematico ed ufficiale di marina Jorge Juan (1713 – 1773), costruì le pompe a vapore necessarie per azionare le dighe di Cartagena. Questa opera, da sola,  basterebbe  a manifestare la grande abilità e le conoscenze di Rostriaga, un artista veramente poliedrico.

Come ricompensa per quest’ impresa, venne nominato primo macchinista di fisica del Seminario de Nobles ed ottenne la commissione per la fornitura della collezione completa di strumenti di fisica per i Reales Estudios di San Isidro.  Inoltre fu incaricato della realizzazione di un livello di tipo Ugeniano (ideato da Huygens) per i rilevamenti del canale di Murcia, delle pompe d’ estrazione per le miniere di Almaden ed anche di strumenti astronomici, in stile medievale, per il Sultano del Marocco.

Rostriaga ha realizzato inoltre  alcuni strumenti d’ agrimensura; si ha notizia anche di sei sfere armillari, di cui una a firma del figlio Leocadio, suo allievo.

Suo nipote  Celedonio Rostriaga ne continuò l’ attività come macchinista dei Reales Estudios di San Isidro.

Nel ‘700  vi fu un radicale mutamento nella storia delle esplorazioni soprattutto per l’ avvento delle grandi spedizioni scientifiche: al seguito di astronomi, matematici e naturalisti, le navi salpavano con una ricca dotazione strumentale anche per le misurazioni e la delimitazione dei possedimenti e l’ individuazione dei confini. Ciò non ha mai rappresentato un problema per gli inglesi o per i francesi: l’ ampia gamma di costruttori nazionali permetteva di soddisfare le esigenze degli scienziati. Differente invece, era la realtà spagnola, costretta a rivolgersi al mercato estero.   

Riportiamo, a titolo esemplificativo, la fornitura che l’ atelier di Ramsden fece per la spedizione Malaspina che, alla fine del secolo,  segna la conclusione delle grandi spedizioni transoceaniche:
n. 4 catene agrimensorie da 60 tese;
n. 4 teodoliti;
n. 4 telescopi da 3 piedi;
n. 2 quadranti da 18 pollici di diametro;

Alessandro Malaspina (1754-1810) fu un esploratore e navigatore italiano al servizio della Spagna  Fra il 1789 ed il 1794 la spedizione che prese il suo nome, visitò gran parte dei possedimenti spagnoli delle Americhe e dell’Asia, giungendo anche in Nuova Zelanda, in Australia e nell’arcipelago di Tonga.

Tra gli altri strumenti quindi, la Spagna si avvalse anche del nuovo “teodolito”.

Concludiamo con la descrizione di questo singolare  teodolite “tipo Ramsden”, costruito da Rostriaga

segnature sullo strumento:
ROSTRIAGA MADRID

segnature sull’ alidada:
TANGENTES EN 100 PARTES DEL RADIO

anno di costruzione: 1780 circa

cerchio orizzontale a lembo conico diametro 9 pollici (circa 23 cm), costituito da due piatti rotanti l’ uno sull’ altro (movimento comandato con vite a cremagliera). Il cerchio inferiore è fisso e porta la graduazione divisa su ottone in gradi sessagesimali: minima divisione 30’, numerazione ogni 10è. Il disco superiore, sempre a lembo conico, costituisce l’ alidada e porta il vernero e la scala delle tangenti; La lettura dei gradi, si fa quindi con un solo nonio (così diviso: 15-10-5-|-25-20-15) avente approssimazione di 2’ sessagesimali; Opposta al nonio, quindi dalla parte dell’ indice del semicircolo verticale, vi è la scala delle Tangenti, divisa in 100 – 0 –100 parti enumerata ogni 10.

Il semicerchio verticale, con movimento comandato con vite a cremagliera, porta tre graduazioni, divise su ottone sulle due facce opposte. Da un lato la graduazione, in gradi sessagesimali 70-0-70: minima divisione 30’, numerazione ogni 10è. La lettura avviene con un nonio diviso in 15 parti (15-10-5-|-25-20-15 e reciproco 15-20-25-|-5-10-5 per la misura degli angoli in elevazione o in depressione).

Sull’ altro lato la scala delle tangenti (divisa in 100 – 0 – 100 parti enumerata ogni 10è).e sopra a questa un’ altra divisione detta “Riduzione delle ipotenuse alle basi orizzontali” (divisa in 30 – 0 – 30 parti enumerata ogni 10è). La lettura avviene con un indice semplice, corrispondente con lo 0 del nonio. Il semicerchio verticale porta il cannocchiale superiore, che è astronomico ed invertibile sugli appoggi, non distanziometrico: apertura di 20 mm di, lunghezza 26 cm, messa a fuoco a tiro. Monta un oculare tipo Huygens con reticolo a croce di fili.

Due livelle toriche, una sotto il cannocchiale, l’ altra sul piatto dell’ alidada.

Sul piatto dell’ alidada vi è altresì la bussola, da 10 cm di diametro: questa porta due graduazioni angolari. La più esterna in 360è, ha lo zero coincidente con il Nord, rivolto verso l’ indice del semicircolo verticale. La graduazione più interna, incisa direttamente sul piatto dell’ alidada cosi come la rosa dei venti, è divisa in quadranti. Est ed Ovest sono invertiti per l’ impiego nell’ emisfero australe.

Il semicircolo verticale e quindi il cannocchiale, sono fissati all’ alidada con due supporti rettificabili a foggia di V rovesciata.

Sotto il cerchio orizzontale, nel suo asse, è collocato il secondo cannocchiale, detto “di spia”: questo è fisso, ossia non può ruotare indipendentemente dal cerchio, ma è suscettibile di basculazione verticale. Il cannocchiale è composto da due sezioni fissate al barilotto centrale che consente la predetta inclinazione.

Lo strumento è imperniato sopra un basamento a quattro viti calanti sotto al quale vengono avvitate le gambe del treppiedi. Il basamento è costituito da due piattelli sui quali agiscono a contrasto le razze calanti, consentendo così l’ inclinazione dello strumento, al fine del raggiungimento della verticalità. Sopra il piattello superiore è collocato un meccanismo a vite senza fine, che consente una piccola rotazione dello strumento sul suo asse principale.