Il sogno di volare

Il sogno di volare
dal mito di Icaro a Leonardo da Vinci,
un genio oltre il tempo.
14-03-2008
Prof. Roberto Fantini
Il mito di Icaro
“ Ma stai attento - diceva al figlio mentre insieme salivano
verso il cielo remeggiando con le braccia - attento a non
accostarti troppo al Sole, perché si scioglierebbe la cera che tiene
salde e unite le ali; e non abbassarti troppo verso il mare, perché
l’umidità dell’acqua inzupperebbe le penne e non potresti più
risalire ” .
Ma Icaro, ancora giovane e dalle belle speranze, non lo
ascoltò, inebriato com’era da quel magico volo che gli
faceva scorgere già lontane le terre e i mari, e che sempre
di più lo avvicinava, esaltandolo, alla voragine
dell’infinito, dove si trovano le stelle.
E’ nella natura dell’uomo ambizioso e troppo sicuro di
sé voler sfidare la vita e farsi un paio di ali che lo
facciano salire sempre più in alto.
Il calore cocente fece sciogliere la cera, le ali fittizie
persero le troppo precarie penne, e Icaro, che
velocemente si era alzato nel cielo, vorticosamente
precipitò nel mare e vi scomparve.
L'antico sogno
Il sogno del volo dell’uomo si perde nella notte dei tempi, ma
nessuno l’ha perseguito con più intensità e perseveranza di
Leonardo da Vinci.
Le antiche cronache riferiscono dei molti tentativi falliti da parte di
autentici temerari. Alcuni episodi sono leggendari, altri sono più
attendibili, come quello di Giovanni Battista Danti che alla fine del
'400 cercò di sorvolare la Piazza Grande di Perugia, “atterrando”
pesantemente sul tetto di una chiesa vicina.
Tutti questi proto-aviatori hanno in comune la stessa idea: quella di
simulare il volo di un uccello, e perciò di utilizzare delle ali
attaccate alle spalle o alle braccia. Oppure, come sognava il monaco
inglese Ruggero Bacone, di realizzare una vera e propria macchina
con le ali.
Leonardo da Vinci
« Fu tanto raro e universale, che dalla natura
per suo miracolo esser produtto dire si puote:
la quale non solo della bellezza del corpo, che
molto bene gli concedette, volse dotarlo, ma
di molte rare virtù volse anchora farlo
maestro. Assai valse in matematica et in
prospettiva non meno, et operò di scultura, et
in disegno passò di gran lunga tutti li altri.
Hebbe bellissime inventioni, ma non colorì
molte cose, perché si dice mai a sé medesimo
avere satisfatto, et però sono tante rare le
opere sue. Fu nel parlare eloquentissimo et
raro sonatore di lira [...] et fu valentissimo in
tirari et in edifizi d'acque, et altri ghiribizzi, né
mai co l'animo suo si quietava, ma sempre
con l'ingegno fabricava cose nuove. » (Anonimo
1542)
(1452-1519)
La scienza del volo in Leonardo
Leonardo basa i suoi studi sull’osservazione degli uccelli: a
differenza di tutti i suoi predecessori però, egli elabora una vera
e propria teoria o scienza del volo, dalla quale sviluppa la
progettazione delle sue macchine. Gli studi si ampliano alla
statica, alle leggi della fluidodinamica, dell’ingegneria
meccanica, dell’anatomia umana, delle proprietà e del
comportamento dell’aria e dei venti. Ed è proprio questo che
differenzia Leonardo da contemporanei e predecessori: l'aver
affrontato il problema del volo in un'ottica globale, sistematica
e scientifica, cercando di cogliere le diverse componenti in
gioco e fondendo assieme studio teorico e pratica sperimentale.
Egli era convinto che l’uomo potesse costruire congegni simili
alle ali degli uccelli (“ L’uccello è strumento operante per legge
1° Principio della dinamica
matematica, il quale strumento è in potestà dell’uomo poterlo fare”) ed
“Ogni moto attende al suo
imitare il loro volo, che assimilava al nuotare dei pesci (“Scrivi
del nuotare sotto acqua e avrai il volare degli uccelli per l’aria”).
mantenimento, ovvero ogni corpo mosso
sempre si muove”
(Codice sul volo degli uccelli)
Egli sostiene, a differenza degli scienziati suoi contemporanei,
che il volo non abbia in sè nulla di misterioso, in quanto si
3° Principio della dinamica
tratta di un fenomeno puramente meccanico, dovuto al
colpo d'ala nell'aria. L'aria è comprimibile, e perciò essa può “Tanta forza si fa colla cosa in contro
esercitare una resistenza in grado di sostenere un corpo. E' all’aria, quanto l’aria incontro alla cosa”
una delle sue più geniali intuizioni. Enuncia anche 2 leggi
(Codice Atlantico)
della dinamica.
L’uomo può volare
Gli studi sulla resistenza dell’aria
Nel 1486 Leonardo aveva espresso la sua fiducia
nella possibilità del volo umano: «potrai
conoscere l'uomo colle sue congegnate e
grandi alie, facendo forza contro alla
resistente aria, vincendo, poterla soggiogare e
levarsi sopra di lei».
Chiama moto strumentale il volo umano
realizzato con l'uso di una macchina: individua
nel paracadute il mezzo più semplice di volo:
«Se un uomo ha un padiglione di panno-lino
intasato, che sia di 12 braccia (7.2 m) per
faccia e alto 12, potrà gittarsi d'ogni grande
altezza sanza danno di sé».
Codice Atlantico
I primi studi: la vite aerea
Concepita tra il 1483 ed il 1486 durante il
primo soggiorno a Milano, la vite aerea
appartiene alla prima serie delle macchine
progettate da Leonardo per il volo meccanico.
Da queste tuttavia si distingue per la sua
originaria destinazione: la vite aerea infatti fu
progettata con l'idea di studiare l'efficienza
dell'elica e non per costituire da subito una
vera macchina per il volo.
L'apparecchio si compone di una vite senza
fine, di circa 10m di diametro.
Fatta di canne, tela di lino e filo di ferro, lo
strumento doveva essere azionato da quattro
uomini che avrebbero dovuto poggiare con i
piedi sulla piattaforma centrale e con le mani
far forza sulle rispettive barre, in modo da far
ruotare l'albero.
Codice B
La vite aerea
Il principio che doveva essere sfruttato era quello
della molla: come lo stesso Leonardo ci suggerisce
nei suoi appunti, “se si costruisce un modello di carta a
forma di vite e lo si lancia mediante una molla posizionata
alla base della vite stessa, si potrà constatare che la vite sarà
trascinata in alto dal movimento della molla”. Così
concepita, però, la vite aerea difficilmente avrebbe
potuto sollevarsi da terra. Resta tuttavia il fatto che
con un'adeguata forza motrice lo strumento poteva
essere azionato e fatto sollevare.
Alla base di questa macchina di Leonardo vi è
l'intuizione che l'aria può comportarsi come un
corpo solido. Perciò un oggetto che si avviti
all'interno di essa può sollevarsi così come la vite
penetra il legno.
La forma e la struttura dell’ala
La maggior parte delle macchine volanti che Leonardo
progetterà è dotata di ali, che possono essere battenti,
articolate o fisse. E proprio all'ala, alla sua forma, struttura e
realizzazione, che egli riserva un’ampia e particolareggiata
ricerca che si sviluppa e si evolve nel corso degli anni. Dopo
varie ricerche egli sperimenta vari tipi d’ala, come quella a
forma di pipistrello.
Impiega materiali diversi, il legno di abete, il fustagno
ricoperto di piume e il taffetà inamidato teso sopra una rete a
maglie larghe. Intuisce che la strada maestra da seguire è
l’alleggerimento strutturale. Nell'ambito degli studi sull'ala,
accanto a quelli di tipo strutturale, un ruolo primario hanno
poi quelli per misurarne la portanza, cioè per valutare la
capacità dell’ala di sostenere in volo la macchina e il suo
pilota.
Codice B
L’ala battente
Attrezzo per la prova di ali battenti
Dalle prime ali, ancora molto grossolane,
Leonardo passò a quelle più sofisticate che
nella struttura imitavano le ali del pipistrello.
Costruita con un unico panno teso su
un'armatura in legno, la combinazione
armatura-panno separandosi durante l'alzata e
ritornando ad aderire durante l'abbassata,
avrebbe agevolare il movimento dell'ala,
riducendo lo sforzo nella prima fase e meglio
sfruttando la resistenza dell'aria nella seconda.
A questo scopo l'artista escogita diverse
esperienze, fra le quali la più nota è quella
cosiddetta dell'attrezzo per la prova di ali
battenti. Si tratta di un'ampia ala palmare di
12 m x 12 m, fissata ad un pancone del peso di
circa 68 kg e azionata da una doppia leva.
Agendo rapidamente sulla leva, se il pancone
si alza da terra prima che l'ala si abbassi, la
portanza di quest'ultima è da ritenere
soddisfacente.
Codice B
Ala articolata
Nello sforzo di riprodurre fedelmente
la struttura d'ala degli uccelli,
Leonardo disegna questo congegno con
meccanismi di trazione e torsione della
parte esterna dell'ala. Le articolazioni
sono collegate a mezzo di tiranti. Il
dispositivo così concepito doveva
garantire il ritorno automatico dell'ala
flessa. Particolare cura viene rivolto allo
studio delle molle e delle giunture fra le
varie parti dell'ala.
Ala articolata
Museo leonardiano di VINCI
La portanza
Il volo degli aeroplani è regolato da una
specifica legge fisica: l'aria che scivola
attorno all'ala in movimento genera una
forza, chiamata portanza, che vince il peso
del veivolo e lo solleva.
Per sviluppare la portanza, l'ala deve avere
una precisa conformazione e, in particolare,
la sua sezione (il profilo dell'ala) deve essere
simile a una goccia allungata asimmetrica.
L'aria che attraversa la parte superiore del
profilo ha una velocità superiore, dal
momento che deve percorrere una distanza
maggiore di quella precorsa dall'aria nella
parte inferiore; secondo il principio di
Bernoulli, sopra l'ala si genera quindi una
depressione, mentre nella parte sottostante si
sviluppa invece una pressione. La
differenza di pressione spinge l'ala verso
l'alto determinando la portanza.
1 2
P + ρ v = cos t.
2
Legge di Bernoulli
L’energia per muovere le macchine:
l'uomo-motore
Gli studi sull'ala non si limitano ad esaminarne forma e struttura, ma
si estendono anche ai suoi movimenti e soprattutto alla forza necessaria
per produrli: l’uomo. Dato il peso notevole della macchina, sommato a
quello del pilota, Leonardo capisce che il fattore determinante è
l'energia che l'uomo è in grado di produrre.
Dato che essa non è sufficiente, Leonardo studia il modo per
moltiplicarla il più possibile. Tramite diversi tipi di complicati
dispositivi, Leonardo finisce per preferire un sistema basato sullo
scorrimento verticale di una o più funi avvolte su una coppia di cilindri
o carrucole sovrapposte. Il movimento alternato delle funi - quando
una sale, l'altra scende - provoca la battuta delle ali.
Ipotizza che il pilota possa utilizzare tutta la sua forza con l'azione di
diversi muscoli come quelli di gambe, braccia, dorso e perfino della
testa. Si concentra anche sulla posizione più funzionale da far assumere
al volatore, ponendolo sia in piedi che disteso. Sarà quest’ultima
posizione, a suo avviso, a garantire una migliore stabilità di volo.
Purtroppo nessun uomo avrebbe mai avuto la forza sufficiente per
muovere le sue macchine.
Il vascello volante
Nel suo primo periodo di permanenza a Milano
(1482–1500), Leonardo si dedicò allo studio del volo
meccanico e disegnò varie macchine che, attraverso
complicati meccanismi, dovevano sollevarsi sfruttando
la sola forza muscolare umana. Il primo di questi
esperimenti fu la macchina ad ali battenti: un
congegno in cui il movimento delle ali doveva
avvenire attraverso un sistema di corde e di carrucole
collegate a due staffe laterali. L'idea era che le ali della
struttura potessero alzarsi e abbassarsi grazie alla forza
che l'uomo trasmetteva loro, agendo con i muscoli
delle gambe sulle staffe.
Con l’idea dell’ala battente, Leonardo tenta di
riprodurre artificialmente la struttura e i movimenti
dei volatili, facendo così della sua macchina una sorta
di uccello meccanico.
Il vascello volante
Navicella volante
La navicella, munita di ali
battenti e timone, è una delle
macchine per il volo più fantastiche
pensate da Leonardo. I volatori
dovevano prender posto all'interno
di una navicella fatta a guscio con
all'interno i meccanismi (viti e
madreviti e manovelle) necessarie a
far muovere le due grandi ali a
pipistrello. Particolarmente
interessante l'ampio piano di coda,
pensato per regolare la posizione e
la direzione della navicella stessa
come fosse il grande timone della
macchina.
Macchina ad ala articolata
L’idea dello ornitottero, ossia
della macchina volante ad ali
d’uccello è qui delineata in modo
tecnicamente chiaro e
sofisticato: il pilota si sdraia,
prono, sul pianale al quale si lega
mediante cinghie; i piedi vanno a
spingere sui pedali che azionano
il complesso sistema della
flessione e torsione dell’ala
disponendole di taglio quando si
sollevano e di faccia mentre si
abbassano, così come fanno gli
uccelli durante il volo attivo.
Ornitottero. Manoscritto B.
Il ritorno all'osservazione degli uccelli
Premessa indispensabile, per il volo ad ali battenti è
che il pilota riesca a sviluppare l'energia sufficiente per
muovere le ali con la necessaria rapidità , ma Leonardo
ben presto si rende conto che questo non è possibile
anche a causa della pesantezza dei materiali usati.
A partire dal 1503, pertanto, ritorna ad osservare il
volo degli uccelli, questa volta in modo accurato e
sistematico, allo scopo di comprenderne esattamente la
dinamica.
Si rende così conto che, se gli uccelli di piccola taglia
utilizzano la battuta d'ala per volare, quelli mediograndi, in particolare i rapaci, si librano nell'aria
affidandosi alle correnti e fanno ricorso alla battuta
solo per correggere o stabilizzare la traiettoria. Il loro è
quindi un volo a vela o volo planato che non richiede
l'impiego di una grande energia, bensì abilità e istinto
per dirigerlo nel modo migliore.
Dall'analogia col peso e l'apertura alare degli uccelli,
cerca di stabilire l'apertura alare che la macchina
dovrebbe avere e quale forza dovrebbe essere
impiegata per muoverla e sostenerla.
Il volo librato
Da queste osservazioni Leonardo trae la
convinzione che, sfruttando il sostegno e la spinta
dell'aria e delle correnti - come fanno gli uccelli più
grandi - anche l'uomo può essere in grado di volare.
Ne consegue un radicale mutamento di prospettiva:
l’ingegnere ora non cerca più di riprodurre
meccanicamente l'animale, ma di servirsi degli stessi
principi fisici che esso utilizza e quindi la macchina
volante, abbandonata l'impraticabile soluzione dell'ala
battente, si orienta verso un'ala fissa sul tipo
dell'aliante.
Un esempio è l'aliante con estremità
manovrabili,
manovrabili in cui le ali sono divenute rigide, quindi
funzionali ad un volo librato, benché presentino
ancora estremità articolate e movibili mediante
tiranti, così da consentire piccoli aggiustamenti
direzionali. Il pilota è collocato in posizione eretta al
centro della macchina, che regge direttamente sulle
spalle con l'aiuto di una particolare imbracatura.
Deltaplano
Ancor più avanzato è un altro
progetto, che ricorda da vicino
il moderno deltaplano.
deltaplano Qui
l'ala è unica e il volatore, che vi
è sospeso al di sotto, controlla
la planata orientando mediante
funi le estremità della
superficie alare.
E' il deltaplano il mezzo che
sembra aver raccolto l'eredità
di questa ultima intuizione di
Leonardo.
A cosa pensavano i contemporanei
Libro di macchine: da Taccola e Francesco di Giorgio
Museo della scienza di Firenze. Anonimo ingegnere senese
Conclusione della ricerca sul volo
Il percorso di ricerca compiuto da Leonardo
procede quindi verso una progressiva
semplificazione ed approda ad una soluzione
assai avanzata, non soltanto dal punto di vista
tecnico, ma anche concettuale. L'imitazione
della natura si traduce così nella creazione
di qualcosa di totalmente nuovo che, pur
sfruttandone le leggi, in essa non trova riscontro.
Un esperimento alla Icaro
La fede di Leonardo nel volo umano sembra essere
rimasta immutata per tutta la sua vita, malgrado gli
insuccessi e l'obiettiva difficoltà dell'impresa:
«Piglierà il primo volo il grande uccello sopra del
dosso del suo magno Cecero (il monte Ceceri, presso
Firenze), empiendo l'universo di stupore, empiendo
di sua fama tutte le scritture e gloria eterna al loco
dove nacque».
Un esperimento in tale senso si svolse veramente e fece da
cavia il suo amico Tommaso Masini.
Strumenti di misura del vento e
dell’inclinazione
Tanto credeva alla possibilità del
volo che costruì anche degli
anemometri e inclinometri
Si tratta di un semplice legno
graduato dotato di una lamina che si
sposta in funzione della forza del
vento. L’anemometro è sormontato
da un anemoscopio a banderuola, in
grado di indicare la direzione del
vento. Lo strumento serviva per lo
studio delle condizioni
atmosferiche, per garantire la
sicurezza del volo.
Anemometro a "lamelle" o "pennello“.
Inclinometro
Il trattato degli uccelli
Dal 14 marzo al 15 aprile 1505 scrive
parte di quello che doveva essere un
organico Trattato delli Uccelli,
suddiviso in 4 volumi dal quale
avrebbe voluto estrarre il segreto del
volo, estendendo nel 1508 i suoi studi
all'anatomia degli uccelli e alla
resistenza dell'aria e, verso il 1515, vi
aggiunge lo studio della caduta dei
gravi e i moti dell'aria.
“Dividi il trattato degli uccelli in quattro libri
dei quali:
• il primo sia del volar per battimento d’alie;
• Il secondo del volo sanza battere d’alie per
favor di vento;
• il terzo del volar in comune, come di uccelli,
pipistrelli, pesci, animali, insetti;
• l’ultimo del moto strumentale.”
Codice sul volo degli uccelli
Questo codice del volo degli
uccelli si trova presso la Biblioteca
Reale di Torino ed è composto da
17 pagine (21x15 cm), databili
intorno al 1505.
Tratta principalmente del volo degli
uccelli che Leonardo analizza con
un rigoroso approccio meccanico,
così come studia la funzione dell'ala,
la resistenza dell'aria, i venti e le
correnti.
Cronologia
La giovinezza (1452–1481)
A Milano (1482–1500)
Il ritorno a Firenze (1501–1507)
Il ritorno a Milano (1507–1514)
Il soggiorno a Roma (1514–1517)
Gli ultimi anni a Parigi (1517–1519)
Bibliografia e link
http://www.museoscienza.org/LEONARDO/
http://www.leonet.it/comuni/vinci/
http://www.macchinedileonardo.com/
http://www.leonardo3.net/
“Codice del volo”, Edoardo Zanon, DVD +
Libro “L3”