Storia della meccanica Evo antico

1. Storia della meccanicaEvo antico Prof. Edoardo Rovida

2. Evo antico • Speculazioni scientifiche • Rapporti fra scienza e tecnica • Tecnica • Nascita del mecenatismo

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

4. Talete • Studia le eclissi • Misura l’altezza delle Piramidi dalla lunghezza dell’ombra

5. 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)

6. 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

7. 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

8. 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

9. Atomisti(2) • Gli atomi si combinano fra loro come le lettere dell’alfabeto. • Tutti gli enti naturali dalle caratteristiche degli atomi: • Forma(A differisce da N) • Posizione(N differisce da Z) • Ordine(AN differisce da NA)

10. 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)

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. Euclide (2° secolo a.C.) • Elementi di Geometria

17. Claudio Tolomeo (2° sec. a.C.) • Almagesto: sintetizza tutte le conoscenze astronomiche note fino ad allora • Primi tentativi di teoria della rifrazione

18. Ipparco • Atlante stellare di 1080 stelle • Osserva che le stelle “fisse” in realtà si muovono • Calcola con grande esattezza la precessione degli equinozi

19. Scuola alessandrina(4°-3° sec. a.C.: il centro intellettuale del mondo si sposta da Atene ad Alessandria) • Erone • Ctesibio • Tolomeo II Filodelfo

20. 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)

21. 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

22. 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 tuboDE nella piccola sfera e, uscendo dai tubi a gomito nell'atmosfera, la farà girare su se stessa" … per reazione.

23. 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

24. 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.

25. Ctesibio(2° secolo a.C. – maestro di Erone) • Compressibilità dell’aria • Organo idraulico • Clessidra ad acqua

26. Tolomeo II Filodelfo • Alessandro Magno fonda Alessandria d’Egitto(322 a.C.) • Alessandria diviene presto un centro culturale importantissimo: • Museo(luogo dedicato alle Muse) • Biblioteca (oltre 400.000 volumi = intero sapere greco)

27. Biblioteca • Nascono allora alcuni aspetti del libro moderno, introdotti ad Alessandria per esigenze di catalogazione: • Indicazione del titolo (sempre o spesso omesso prima) • Indicazione dell’autore(se non noto, ne veniva assegnato uno d’ufficio)

28. 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

29. 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

30. 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

31. Tecnici e scienziati dell’antichità vivono, in mondi separati • Scienziati: speculazioni filosofico-scientifiche • Costruttori(architetti o meccanici): realizzazioni basate sull’esperienza

32. 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

33. “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

34. 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)

35. 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

36. Tecnica • Progettazione • realizzazioni

37. Progettazione • Non formalizzata • Basata su osservazioni dirette • Porta, comunque, a realizzazioni notevoli

38. 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

39. 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)

40. Macchine semplici(corrispondono alle coppie meccaniche elementari) • Cuneo(prismatica) • Leva(rotoidale) • Vite(elicoidale) • Loro combinazioni

41. 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

42. Energia idraulica • Mulini ad acqua • Ruote idrauliche

43. Mulini ad acqua • Ad asse verticale: inventato dai Greci • Ad asse orizzontale:inventato dai Romani

44. Ruote idrauliche • Ruota per di sotto • Ruota per di sopra • Ruota per di fianco

45. Trasporti • Terrestri(energia disponibile scarsa – costi molto elevati) • Per acqua(costi inferiori)

46. 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)

47. 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

48. Trasporti via acqua • Stazza • Propulsione

49. Stazza • Media 600 t( potenze 30-40 kW) • In alcuni casi 2000 t

50. Propulsione • Vela (navi da carico) • Remi( navi da guerra) • Ruote(in alcuni casi)