Evo antico

Storia della meccanica
Evo antico
Prof. Edoardo Rovida
Evo antico
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Speculazioni scientifiche
Rapporti fra scienza e tecnica
Tecnica
Nascita del mecenatismo
Speculazioni scientifiche
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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.)
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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 filosoficoscientifiche
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
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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)
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Cuneo(prismatica)
Leva(rotoidale)
Vite(elicoidale)
Loro combinazioni
Motori primi
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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(234149 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(196971) 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
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•
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 differenziale
F = 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
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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.
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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