Il progresso verso un metodo di navigazione scientifico ed accurato è stato lungo e difficile. I naviganti medioevali si basavano sulla posizione del Sole di giorno e su quella delle stelle di notte. Li aiutava anche una diffusa conoscenza di venti, correnti, profili delle coste, che veniva tramandata oralmente da padre in figlio o dai capi barca più vecchi ai marinai più giovani. Solo alla fine del XV secolo si cercò di mettere per scritto tutto questo insieme di conoscenze e di darlo alle stampe.

Il primo strumento per navigare fu lo scandaglio, che poteva consistere o in una lunga pertica di legno o in un peso di piombo attaccato all'estremità di una corda in cui erano stati fatti dei nodi a distanza regolare. Lo scandaglio aveva anche la possibilità di prelevare del materiale dal fondo marino, in modo che i naviganti si rendevano conto se si stavano muovendo su fondali sabbiosi o rocciosi.

Rappresentazione fantastica dell'invenzione della bussola da parte di Flavio
Gioia da Amalfi. Nello "stanzino delle matematiche" in palazzo Vecchio a Firenze

L'invenzione della bussola costituì un grande progresso per l'affidabilità della navigazione. La tradizione vuole che sia stata inventata ad Amalfi, ma la prima documentazione scritta dell'esistenza di una bussola, si trova nell'opera di un monaco inglese, Alexander Neckham (1157-1217) risalente al 1187. A quel tempo l'ago magnetico veniva utilizzato solo in condizioni di cielo coperto, quando non si poteva vedere ne' il Sole ne' le stelle, come ci racconta il domenicano Vincent di Beauvais (1190-1264).

Carta Pisana del 1275 (circa), conservata presso la Biblioteca
Nazionale di Parigi. È il più antico esempio di portolano che,
nonostante il suo nome è probabilmente di origine genovese.

Contemporaneamente all'uso della bussola, nella navigazione mediterranea inizia ad essere utilizzato il portolano. Si tratta di una carta delle coste, disegnata su una pergamena grande quanto la pelle intera di una pecora. I portolani erano molto accurati nel disegno delle coste e indicavano le rotte principali che collegavano i diversi porti. Solo quando la bussola fu perfezionata, e l'ago magnetico fu lasciato libero di muoversi su una punta di rame, i timonieri cominciarono a fidarsene sempre di più. Sembra che sia stata una nave inglese la prima a montare la bussola in modo permanente davanti alla ruota del timone in una struttura protettiva, che prese il nome di binnacle, per proteggerla dagli elementi atmosferici, e dove trovava posto anche una lucerna.

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