Storia della meccanica Evo antico Prof. Edoardo Rovida

Storia della meccanicaEvo antico

Prof. Edoardo Rovida

Evo antico

• Speculazioni scientifiche

• Rapporti fra scienza e tecnica

• Tecnica

• Nascita del mecenatismo

Speculazioni scientifiche• Talete• Pitagora• Zenone • Empedocle• Atomisti • Anassimandro • Filolao • Aristotele• Archimede• Euclide• Claudio Tolomeo• Ipparco• Scuola Alessandrina

Talete

• Studia le eclissi

• Misura l’altezza delle Piramidi dalla lunghezza dell’ombra

Pitagora (582-497 a.C.)

• Base di tutto è il numero

• Ordinamento matematico dell’universo

• Distinzione dei numeri in pari e dispari

• Fondazione della geometria(teorema omonimo)

Zenone di Elea(495-430 a.C.)

• Introduce il ragionamento “per assurdo”: dimostrazione della verità della tesi A, mediante la “reductio ad absurdum” dell’antitesi non-A

• Valido tuttora quando si ha una situazione dicotomica: A non-A

Empedocle di Agrigento (492-432 a.C.)

• Quattro elementi: acqua, aria, terra, fuoco• Non vi è nascita né morte, ma solo

mescolanza(anticipazione, in termini poetici, del principio di conservazione dell’energia)

• Governati da amore ed odio• Amore ed odio non hanno connotazione morale, ma

solo: amore = unione, odio = separazione)• Dalla loro combinazione nascono tutte le cose e tutti gli

esseri• Spiega correttamente il meccanismo delle eclissi• Può essere considerato un precursore di Boyle, in

quanto afferma che l’aria, sebbene invisibile, è una sostanza materiale

Atomisti(1)

• Leucippo

• Democrito(460-370 a.C.)

• Elementi indivisibili(atomi), infiniti di numero, infinitamente vari nelle forme, con le loro aggregazioni formano tutte le cose e tutti gli esseri viventi, dando origine al mondo, alle sensazioni, alla conoscenza

Atomisti(2)

• Gli atomi si combinano fra loro come le lettere dell’alfabeto.

• Tutti gli enti naturali dalle caratteristiche degli atomi:

1. Forma(A differisce da N)

2. Posizione(N differisce da Z)

3. Ordine(AN differisce da NA)

Filolao(IV secolo a.C.)

• Intuisce la rotazione della terra attorno ad un “fuoco centrale”(dimora di Zeus) (Galileo e Keplero lo considerano un precursore dell’eliocentrismo)

Aristotele (384 a.C.- 322 a.C.)

• Tramanda le conoscenze di Statica note ai suoi tempi

• Terra al centro dell’Universo

• Quattro elementi: aria, acqua, terra, fuoco

• Aria: unico gas conosciuto

Aristotele (384 a.C.- 322 a.C.)

• Techne: produzione di oggetti

• Praxis: attività proprie dei cittadini(politica e guerra)

• Episteme: contemplazione filosofica fine a se stessa

Aristotele (384 a.C.- 322 a.C.)

• IV sec. A.C. fra i discepoli di Aristotele nasce un’opera (Meccanica), nota anche alla latina come Quaestiones mechanicae

• Descrizione di bilancia, leva, remo, timone, cuneo, puleggia, verricello,…

• Utilizzo di un linguaggio geometrico, ma anche ragionamenti basati sul senso pratico

• Tentativo di sviluppare una teoria dalla pratica e di “fissarla” per iscritto

• Visione della tecnica come insieme di risorse per “averla vinta” sulla natura

Archimede (288 a.C. - 212 a.C.)

• Si avvale dei metodi geometrici euclidei

• Principio teorico della leva, concetto di baricentro, principio di idrostatica che porta il suo nome, concetto di densità

• Realizza la coclea , sistemi di carrucole, il torchio idraulico

Archimede (288 a.C. - 212 a.C.)

• Secondo la leggenda avrebbe distrutto le navi romane durante l’assedio di Siracusa(213 a.C.)

• In realtà, ci sarebbero voluti 440 uomini ciascuno con uno specchio di 1 m2 per produrre qualche bruciacchiatura su un’area di m 1 x 0,5 a 50 m di distanza su uno scafo di legno [A.Mills, P.Clift – Università di Leicester]

• Tecnologia ora riesumata

Euclide (2° secolo a.C.)

• Elementi di Geometria

Claudio Tolomeo (2° sec. a.C.)

• Almagesto: sintetizza tutte le conoscenze astronomiche note fino ad allora

• Primi tentativi di teoria della rifrazione

Ipparco

• Atlante stellare di 1080 stelle

• Osserva che le stelle “fisse” in realtà si muovono

• Calcola con grande esattezza la precessione degli equinozi

Scuola alessandrina(4°-3° sec. a.C.: il centro intellettuale del mondo si sposta da

Atene ad Alessandria)• Erone

• Ctesibio

• Tolomeo II Filodelfo

Erone(1° secolo a.C.)

• Teorie di Archimede applicate alle macchine semplici

• prime osservazioni sul vapore (eolipila)• Formula di Erone: area del triangolo dati i lati• Costruttore di specchi e di loro combinazioni atte

a riflettere gli oggetti in modo particolare• Studia il fenomeno della riflessione(uguaglianza

degli angoli di incidenza e di riflessione)

Eolipila di Erone(“antenata” della turbina)

• Sfera cava rotante attorno ad un diametro, con due tubi uscenti e piegati a 90° in opposizione

• Un fuoco acceso sotto la sfera trasforma l’acqua in essa contenuta in vapore

• Il vapore, fuoriuscendo dai tubi, per reazione, mette in rotazione la sfera

Eolipila(testo di Erone)• "Sia AB una caldaia contenente

dell'acqua, posta sul fuoco. Si chiude con l'aiuto di un coperchio C, forato da due tubi ripiegati DE, la cui estremità penetra in una piccola sfera vuota. Si aggiungono sulla sfera due pezzetti di tubo N e O; il gomito deve essere ad angolo retto rispetto alla linea immaginaria, che attraversa la sfera F congiungendo fra loro i due tubi DE. Quando l'acqua della caldaia sarà

calda, il vapore passerà per il tubo DE nella piccola sfera e, uscendo dai tubi a gomito nell'atmosfera, la farà girare su se stessa" … per reazione.

Eolipila di Erone: rimane allo stato di curiosità

• Per mancanza di materiali adatti

• Per la mentalità dell’epoca, poco incline a ricavare applicazioni pratiche da esperimenti scientifici

• Per la scarsa motivazione: la grande quantità di schiavi non rendeva interessante una fonte di energia

Dispositivo di Erone per aprire e chiudere le porte del tempio

• L’aria calda proveniente dal fuoco acceso sull’altare spinge l’acqua del contenitore in un secchio che, scendendo, fa girare i cardini della porta, per mezzo di una fune che solleva il contrappeso.

Ctesibio(2° secolo a.C. – maestro di Erone)

• Compressibilità dell’aria

• Organo idraulico

• Clessidra ad acqua

Tolomeo II Filodelfo

• Alessandro Magno fonda Alessandria d’Egitto(322 a.C.)

• Alessandria diviene presto un centro culturale importantissimo:

1. Museo(luogo dedicato alle Muse)

2. Biblioteca (oltre 400.000 volumi = intero sapere greco)

Biblioteca

• Nascono allora alcuni aspetti del libro moderno, introdotti ad Alessandria per esigenze di catalogazione:

1. Indicazione del titolo (sempre o spesso omesso prima)

2. Indicazione dell’autore(se non noto, ne veniva assegnato uno d’ufficio)

Museo

• Complesso simile ad un campus universitario moderno

• A disposizione degli scienziati di tutto il mondo(di allora) che, stipendiati dallo Stato, attendevano alle loro ricerche

• Vi studiano: Euclide, Archimede, Claudio Tolomeo, Ipparco, Erone

Rapporti fra scienza e tecnica

• Tecnici e scienziati dell’antichità vivono, in genere, in mondi separati

• obbiettivo della tecnica è, in generale, il risultato pratico, senza preoccuparsi troppo del metodo scientifico che gli “sta sotto”

• solo con il Rinascimento scienza e tecnica si avvicineranno

Rapporti fra scienza e tecnica

• Le varie tecniche(agricola, militare, delle costruzioni,…) si basano soprattutto sull’esperienza pratica

• Tecnica(in greco techne = arte) indica capacità di fare, pratica; in latino diventa ars ed indica un prodotto con valenza estetica

Tecnici e scienziati dell’antichità vivono, in mondi separati

1. Scienziati: speculazioni filosofico-scientifiche

2. Costruttori(architetti o meccanici): realizzazioni basate sull’esperienza

Specializzazione [Senofonte (V-IV sec. A.C. Ciropedia]

• Proprio come i grandi mestieri sono maggiormente sviluppati nelle grandi città, così il vitto, a palazzo, è preparato in maniera di gran lunga superiore. Nei piccoli centri, lo stesso uomo fabbrica letti, porte, aratri, tavoli e spesso costruisce anche le case, e ancora è ben felice su può trovare abbastanza lavoro da sostenersi. Ed è impossibile che un uomo dai molti mestieri possa farli tutti bene. Nelle grandi città, invece, poiché sono molti a richiedere i prodotti di ogni mestiere, per vivere basta che un uomo ne conosca uno solo e spesso anche meno di uno. Per esempio, un tale fabbrica scarpe da uomo, un altro scarpe da donna e vi sono luoghi dove uno può guadagnarsi da vivere riparando scarpe, un altro tagliando il cuoio, un altro cucendo la tomaia, mentre un altro non esegue nessuna di queste operazioni, ma mette insieme le varie parti. Di necessità, chi compie un lavoro molto specializzato lo farà nel modo migliore

“Manuali “ tecnici

• Compaiono molto presto raccolte di istruzioni (agricoltura babilonese, lavorazione del vetro,…)

• Descrizione di metodi e procedure(“consapevolezza” tecnologica)

• A parte ciò, la maggior parte delle informazioni tecniche sono tramandate oralmente

Età Romana

• Dalla fine dell’epoca repubblicana all’inizio di quella imperiale: aumento urbanizzazione, lavori, costruzioni

• Importanza sempre maggiore delle professioni tecniche

• Necessità di formazione• Problema accentuato dal fatto che molti tecnici

erano di lingua greca ed avevano studiato ad Alessandria d’Egitto(Apollodoro di Damasco, Marco Vitruvio Pollione, Sesto Giulio Frontino)

Vitruvio “De Architectura”

• Trattato di costruzioni e di macchine

• Scarsa circolazione nel Medioevo(una copia l’aveva Eginardo, segretario di Carlo Magno)

• Riscoperta del XV secolo (stampato nel 1487): punto di riferimento dei tecnici del Rinascimento

Tecnica

• Progettazione

• realizzazioni

Progettazione

• Non formalizzata

• Basata su osservazioni dirette

• Porta, comunque, a realizzazioni notevoli

Realizzazioni

• Macchine semplici• Motori primi• Trasporti• Agricoltura• Macchine di sollevamento• Macchine idrauliche• Misura del tempo• Metalli • Cuscinetti a rotolamento• Crganizzazione del lavoro• Armi • Strumenti di calcolo

Macchina

• Dal greco mechané (in latino machina) con significato originario di trovata ingegnosa a volte dispregiativo(cfr. macchinazione)

• Erodoto, Tucidide, Platone usano il termine parlando della costruzione della piramide di Cheope, delle macchine da guerra, delle scenografie teatrali(deus ex machina)

Macchine semplici(corrispondono alle

coppie meccaniche elementari)• Cuneo(prismatica)

• Leva(rotoidale)

• Vite(elicoidale)

• Loro combinazioni

Motori primi

• Muscoli umani

• muscoli animali

• energia idraulica(prime applicazioni)

• nel Medioevo si utilizzerà l’energia del vento

• nel XVIII secolo si inizierà ad utilizzare il vapore

Energia idraulica

• Mulini ad acqua

• Ruote idrauliche

Mulini ad acqua

• Ad asse verticale: inventato dai Greci

• Ad asse orizzontale:inventato dai Romani

Ruote idrauliche

• Ruota per di sotto• Ruota per di sopra• Ruota per di fianco

Trasporti

• Terrestri(energia disponibile scarsa – costi molto elevati)

• Per acqua(costi inferiori)

Trasporti(notizia da Catone(234-149 a.C.))

• Un torchio da olio(ca. 460 sesterzi = ca. 2 milioni di £) arrivava a 730 sesterzi con un trasporto su carro di ca. 100 km(7 giorni)

Trasporti(editto di Diocleziano(300 d.C.)

• Il costo di un carro di grano raddoppia per un trasporto di 400 km su terra

• Il costo è superiore a quello per mare da un capo all’altro dell’impero

• Rapporto di costi stimato: 1:25

Trasporti via acqua

• Stazza

• Propulsione

Stazza

• Media 600 t( potenze 30-40 kW)

• In alcuni casi 2000 t

Propulsione

• Vela (navi da carico)

• Remi( navi da guerra)

• Ruote(in alcuni casi)

La nave punica

• Ricostruzione al Museo di Marsala con pezzi del III secolo a.C. rinvenuti(1969-71) nel mare antistante

•

La nave punica

• Legni lavorati dove erano disponibili(acero rosso e cedro in Libano, ulivo sulle coste mediterranee,…) e contrassegnati con una lettera dell’alfabeto fenicio

• Pezzi portati in un unico cantiere

• Assemblaggio, avvalendosi dei contrassegni(assemblaggio e varo in 6 giorni)

La nave punica: il concetto di resistenza calibrata

• La nave nemica veniva speronata; il rostro si spezzava e rimaneva piantato nella chiglia, facendola affondare

• Esso veniva poi sostituito

La nave punica: utilizzo del…maiale(antenato delle biotecnologie)

• Senso dell’orientamento: un maiale buttato in acqua percepisce la terra e nuota in direzione di essa, anche nella nebbia

• Grida del maiale udibili a grande distanza: un maiale frustato era un ottimo avvisatore acustico

• Capacità del maiale di percepire l’arrivo di una tempesta

Propulsione a ruote (Anonimo in “De rebus bellicis”(IV sec. D.C.))

• Descrive una propulsione di nave mediante ruote azionate da buoi nello scafo (parla della propulsione a ruote come di cosa ai suoi tempi già nota)

Trasporti su terra

• Dorso d’uomo

• animali da soma

• animali da traino

Dorso d’uomo

• Diretto

• carichi infilati in un bastone appoggiato alle spalle di due uomini

Animali da soma

• A partire dal 5000 a.C.

Animali da traino(si moltiplica x 10 la capacità di trasporto)

• Veicoli

• strade

Veicoli

• Prima: veicoli senza ruote (slitte)

• dal 3300 a.C. veicoli con ruote

• in epoca romana: reda(carro scoperto) e carpentum(coperto)

• invasioni barbariche: gli abitanti per sicurezza si rifugiano sulle alture(ritorno alla cavalcatura)

• VIII d.C. inizio della ferratura

Ruota romana

• Corpo ruota pieno, costituito da tre striscie, unite da fascette metalliche

Fabbricazione di ruote (Tebe 1500 a.C.)

Vaso etrusco con rappresentazione di carri

Carro per trasporto legname(bassorilievo assiro – 700 a.C.)

Un antenato dell’elicottero(400°.C. – Cina)

Un giocattolo, costituito da un asta alla cui estremità erano incollate delle penne di uccello. Fatto ruotare rapidamente su se stesso tra le mani generava una spinta ascensionale. Una volta lasciato libero poteva librarsi in

aria volando liberamente. Questo giocattolo è stato forse ispirato dall’osservazione dell’autorotazione dei semi dell'albero di sicomoro.

Strade

• In epoca romana: lastricata di pietra, talora con due marciapiedi laterali rialzati e due solchi per le ruote dei carri

Rotaie

• Balbek e Palmera(Antico Egitto)

• Circa 2600 a.C.

• Resti di rotaie in bronzo

Macchine operatrici

• Gru

• Vite senza fine (o coclea)

• Pompa a pistone

• Mulino ad acqua

• Acquedotti

Gru

• Descritta da Vitruvio (1° sec. d.C.)

Macchina di sollevamento romana (2° sec. a.C.)

Puleggia fissa

• Non dà vantaggio in termini di modulo della forza

• Permette solo una variazione di direzione

Puleggia mobile (F = Q/2)

Puleggia fissa e mobile(vantaggi di entrambi i tipi)

Paranco semplice(soluzione compatta di puleggia fissa e mobile)

Paranco multiplo(o taglia)(equivale a n paranchi semplici)

Verricello semplice(Q = F.b/r)

Verricello differenzialeF = Q.b.(R-r)/2

Paranco differenziale(analogo al verricello differenziale)

Argano

Gru azionata da ruota a timpano(1° sec.d.C.)

Capra con paranco e verricello(Vitruvio “De Architectura”(1° se

c. a.C.)

Ruota calcatoria

• + grande e potente macchina in epoca romana

• Grande gabbia in legno di forma cilindrica

• Movimento uomini al suo interno → avvolgimento corde → sollevamento carichi

Vite senza fine(coclea)

• Per sollevamento di acqua

• Inventata da Archimede(286-211 a.C.)

Coclea

Coclea funzionante oggi

Coclea

Pompe a pistone

• Gioco pistone-cilindro 0.10-0.35 mm)

• Rendimento volumetrico: ca. 95%

Acquedotti

• Sfruttano il dislivello in campo gravitazionale

Bilancia a stadera(vaso greco – 800 a.C.)

Meridiana

Meridiana

I quadranti comuni non convertono il tempo solare apparente in tempo standard. Si ha quindi una variazione di 15 minuti nell'arco di un anno, nota come equazione del tempo, provocata dal fatto che l'orbita terrestre è ellittica e non circolare, ed è inclinata rispetto all'equatore. Una buona meridiana deve sempre includere una tabella che fornisca almeno un valore di correzione per mese. Alcune meridiane particolarmente sofisticate adottano linee orarie o gnomoni curvi o altre soluzioni per fornire una lettura diretta del tempo

Clessidra

Aratri (antico Lazio)

Aratro romano

Aratura (mosaico romano di una villa in Tunisia – 3° sec. d.C.)

Aratura etrusca (bronzetto – 400 a.C.)

Bassorilievo(pigiatura dell’uva – età romana-imperiale)

Scene agricole(dalla tomba del fornaio Eurisace: mulino, impastatrice, cottura del pane, pesatura e vendita)

Pressa per olio(Grecia 600 a.C.)

Chiodi romani rinvenuti in Gran Bretagna

• Forgiati a mano da piccoli masselli, tagliati in lunghezze prestabilite da un massello di partenza

• Forni: riduzione diretta del minerale con carbone di legna

• Testa ottenuta per ricalcatura

Chiodi romani rinvenuti in Gran Bretagna

• Classi dimensionali: approccio alla standardizzazione

Cuscinetti a rotolamento

• 2000 a.C. Egizi (spostamento di carichi)

• 300 a.C. Alessandro Magno (ariete)

• 1° secolo d.C. Navi di Nemi (piattaforme girevoli)

• 2°-3° secolo d.C. Mozzo con cuscinetti a rulli

Cuscinetti a rotolamento(Egizi)

Cuscinetti a rotolamento(Antica Grecia)

• Diades (900 a.C.) (ingegnere di Alessandro Magno)

Cuscinetti a rotolamento(Navi di Nemi)

Cuscinetti a rotolamento(Navi di Nemi)

Cusscinetti a rotolamento(Navi di Nemi)

Cuscinetti a rotolamento(Navi di Nemi)

Cuscinetti a rotolamento (1° sec. d.C.)

Organizzazione del lavoro

• Nascono forme embrionali

• antico artigiano: lavora su commessa, realizzando ciò che è più adatto alle esigenze del cliente

• allargarsi dei mercati: l’artigiano deve tenere conto delle esigenze presumibili

• si arriva ad una rudimentale standardizzazione

Primi esempi di standardizzazione

• V sec. a.C. impero di Alessandro : vastità dei territori - ulteriore ampliamento dei mercati - unificazione della moneta)

• Impero Romano: unificazioni notevoli:• -equipaggiamenti militari

• -2 tipi di mattoni: bipedalis(58,4x59,4x4 cm) e sesquipedalis (44,4x44,4x4 cm): con essi erano

realizzate tutte le costruzioni• -larghezza strade: 2,75 m

Metalli

• Rame( molto usato per facilità di estrazione, duttilità, possibilità di formare molte leghe)

• Ferro

• Zinco

• Piombo

Arco • Tra V e IV secolo a.C. Ippocrate racconta delle Amazzoni,

cavallerizze che utilizzavano arco e ascia bipenne. • Rodi e Creta fornivano gli arcieri migliori. Usavano un

arco molto corto, composto da corna di antilope e d'ariete, congiunte per mezzo di nervo d'animale, molto duro ed elastico; una fasciatura di vello ricopriva la parte centrale. Era un arco poco flessibile e con poca corsa d'apertura.

• Roma scopre l’arco combattendo contro i Parti. L'impero rivede il suo atteggiamento nei confronti dell'arco ed assolda gli stessi arcieri che avevano avuto ragione delle sue legioni, utilizzandoli ai confini dell'Impero per tenere a bada i barbari con arcieri a cavallo mobili e veloci. Nascono così i "sagittari”.

Esempi di balestre del mondo antico

Confronto arco-balestra

• ARCO

• I cavalieri dell’esercito di Sargon I, re degli Accadi, usavano un arco corto ma robusto intorno al 2300 a.C..

• Geroglifici raccontano di Ramses II (1230 a.C.) che usava un arco composito con frecce in bronzo.

• L’arciere egizio comune usava un

arco semplice in acacia.

• BALESTRA

• Origini vaghe e difficilmente databili risalgono al 2500 a.C. in Indocina.

• In Cina si usavano grosse balestre durante l’impero Chang, 1700 – 1100 a.C., ritrovati nella provincia di Chensi.

• In Giappone si usava intorno al 1000 a.C.

Strumenti di calcolo: Abaco

• modello più antico al XX: Grecia (IV secolo a.C.)

• Utilizzato in Europa fino al XVII secolo ed in Oriente fino al XX secolo)

Nascita del mecenatismo scientifico

• Gaio Cilnio Mecenate(69 a.C. – 8 a. C.): consigliere di Augusto e protettore di poeti ed artisti

• Il suo nome diventa comune per indicare un protettore di letterati ed artisti e, successivamente, di scienziati

• Il mecenatismo scientifico si diffonderà molto a partire dai secoli XVI-XVII