Reproducción del experimento de Eratóstenes

En mi entrada El cálculo de Eratóstenes describí como Eratostenes calculó la circunferencia de la Tierra como mucha aproximación real hace 2200 años a partir de la relación de ángulos de sombras y la distancia entre un lugar donde no hay sombra en un día del año con otro lugar donde sí hay sombra. La estimación de Eratóstenes fue de 39740 km de circunferencia terrestre.

Al mediodía del solsticio de verano, el 21 de diciembre último, reproduje el experimento de Eratóstenes con la sombra que hace una viga. La medición resultó muy sencilla: la altura de la viga respecto del piso fue de 2,27m y la longitud de la sombra de la viga con la vertical del piso fue de 0,45m.

Elementos para el experimento de Eratóstenes

Fuente: archivo personal

El ángulo α es el que hace la distancia de la sombra con la vertical y la sombra con la viga y su tangente es la siguiente:

tan α = 2,27 / 0,45

tan α = 5,04

Entonces el ángulo es:

α = atan 5,04

α = 78,787º

El ángulo β es 90º - 78,787º = 11,21º

El ángulo complementario de α es β que mide 11,21º. Entonces, sabiendo que al mediodía del solsticio de verano no hay sombra en el Trópico de Capricornio, este ángulo es el mismo que hace el centro de la Tierra con Lima y un punto del Trópico de Capricornio por la propiedad de los ángulos alternos internos (los rayos del Sol son paralelos y el radio de la Tierra que llega a la viga es una transversal). 

Con la distancia de 1436 km que hay entre Lima y el hito del Trópico de Capricornio que se encuentra en Antofagasta, completamos el cálculo.

Geometría de la medición

Fuente: archivo personal

Entonces la relación es la siguiente:

11,213º es a 1436 km; como

360º es a x

x = 360 x 1436 / 11,213

x = 46103 km

Me equivoqué más que Eratóstenes! la circunferencia de la Tierra es 40075 km. Mi hipótesis es que el cálculo debe ser mejor estimado cuando el punto de medición se encuentra cerca del meridiano del punto de referencia en la línea del trópico. Eratóstenes escogió Siena y Alejandría. Esta última ciudad está en 40º longitud este y Siena en el 43º, es decir solo 3º de diferencia, mientras que Lima está en 77º longitud oeste y el hito de Antofagasta en 70º, es decir 7º de diferencia.

Una extensión del experimento nos llevaría a estimar la distancia al Sol. Con el experimento anterior se puede calcular el radio de la Tierra.

2πr = 46103 km (suponiendo que arrastro el error)

r = 7337 km

Con este dato del radio se puede calcular de manera empírica la distancia al Sol construyendo la geometría respectiva a escala para usar relaciones trigonométricas. Sin embargo, no es simple porque el ángulo que hace el centro del Sol con Lima y el hito del Trópico de Capricornio en Antofagasta es muy pequeño, por lo tanto es necesario hacer mediciones milimétricas de la sombra.

El cálculo de Eratóstenes

Siempre me han gustado los razonamientos sencillos que expresan mucho contenido. Especialmente, en la astronomía se encuentran algunos de estos. El más célebre y divertido es el cálculo de Eratóstenes (Cirene, 276 a. C. - Alejandría, 194 a. C.) de la circunferencia de la Tierra. Este conocimiento no se tomó en cuenta durante muchos siglos, e incluso Colon no tuvo cálculos parecidos para estimar la distancia hacia la India desde el oeste de Europa, casi 1700 años después.

La primera vez que vi el cálculo de Eratóstenes fue en la serie Cosmos de Carl Sagan en el capítulo 1: Las orillas del océano cósmico. Eratóstenes fue un sabio griego que ejerció la geografía como una disciplina y gracias a ello llegó a calcular la distancia al Sol en unos 804 000 000 estadios que equivale a 148 752 060 km, muy similar a la unidad astronómica actual. También estimó la distancia a la Luna en 780 000 estadios, sin embargo, en este último subestimó el cálculo.

Cosmos, Capítulo 1 (min 28:15 a 34:40)

Fuente: Youtube

Asimismo, determinó la oblicuidad de la eclíptica respecto del ecuador en 23º 51' 19'', dato que usó Ptolomeo. Sin duda su célebre cálculo de la circunferencia de la Tierra hace más de 2200 años es impactante por su simplicidad y por el supuesto que nuestro planeta era una esfera.

Eratóstenes tuvo conocimiento en la Biblioteca de Alejandría que en la ciudad de Siena, la actual Asuán, no había sombra al mediodía en el solsticio de verano, mientras que ese mismo día en la ciudad de Alejandría sí había sombra. Hoy es conocido que los lugares entre los trópicos no tienen sombra al mediodía dos veces al año. Esto es porque el eje de rotación está inclinado respecto del ecuador, lo que produce que los rayos del Sol se proyecten perpendicularmente sobre la Tierra solo en una franja limitada por dos extremos llamados trópicos (Capricornio y Cáncer). En otras partes del planeta, fuera de esos límites, siempre hay sombra al mediodía.

La eclíptica y los trópicos

Fuente: archivo personal

En realidad, Siena no se encuentra exactamente en un lugar tropical, está casi a 0,5° al norte del Trópico de Cáncer, es decir, a 68 km aproximadamente. Probablemente, la sombra fue muy pequeña para ser observada en el solsticio de verano. Si consideramos que por el movimiento de la Tierra en época de Eratóstenes (hace 2200 años) los trópicos estaban más cerca del ecuador, entonces la distancia de Siena al Trópico de Cáncer era de 41 km.

Asimismo, Siena y Alejandría no se encuentran en el mismo meridiano, es decir una línea imaginaria que dé la vuelta a la Tierra pasando por esos dos puntos no pasará por los polos terrestres. La diferencia es de aproximadamente 3° de longitud.

Ubicación de Siena y Alejandría

Fuente: Google Earth

El razonamiento para deducir la esfericidad o la curvatura de la Tierra es simple, si en dos lugares distantes un mismo día se tienen sombras del mismo tamaño de un mismo gnomon, o no se tienen sombras, entonces se puede pensar que la Tierra es plana. Pero eso no ocurría, entonces la Tierra es curva.

Con los instrumentos de la época, Eratóstenes pudo medir en Alejandría el ángulo que hace la sombra de un gnomon al mediodía del solsticio de verano. Actualmente, eso lo podemos fácilmente hacer usando un poco de trigonometría porque se forma un triángulo recto, dividiendo la longitud del gnomon entre la longitud de la sombra para hallar el arco tangente. Los conceptos de trigonometría aparecieron aproximadamente en la época de Eratóstenes gracias a Aristarco e Hiparco. Si no lo hizo, podría haber utilizado la medida egipcia del seked sabiendo el origen cirenaico de Eratóstenes.

Trigonometría de la sombra

Fuente: archivo personal

Conociendo el valor de ese ángulo α, que era aproximadamente 7,2° (1/50 de un círculo), usó la propiedad de la igualdad de los ángulos formados por una recta que interseca a dos rectas paralelas, de tal manera que determinó que el ángulo de la sombra del gnomon es igual al ángulo que hace Siena, Alejandría y el centro de la Tierra.

Cálculo de la circunferencia de la Tierra

Fuente: archivo personal

A continuación, solo queda saber la distancia entre Siena y Alejandría para que con una regla de tres se determinara la circunferencia de la Tierra. Eratóstenes estimó esa distancia en 5040 estadios que equivalen aproximadamente a 794.8 km, por lo tanto:

794.8 km / 7,2° = x / 360°    , donde x es la circunferencia de la Tierra.

Despejando x, la circunferencia de la Tierra es de 39 740 km. Si consideramos la circunferencia a través de los polos, el cálculo actual es de 40 007 km, es decir, un error de 0,67%, realmente bajo a pesar de que Siena y Alejandría no están en el mismo meridiano y que Siena no se encuentra exactamente en el Trópico de Cáncer.