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20 – la hybris dei primi volatori

ali-leonardo

La tecnologia del volo si è affermata da non più di un secolo, sebbene i tentativi da parte dell’uomo in questo senso datino dalle epoche più remote.
Nella mitologia greca Icaro spiccò il volo con ali costruite con penne di uccello tenute insieme da cera, peccando di hybris, ovvero presunzione nel voler modificare lo stato naturale delle cose (sacro per definizione per gli antichi Greci), e il destino non gli sorrise.
Ruggero Bacone teorizzò una “sfera cava di rame” riempita con aria calda (hollow globe of copper […] filled with aetherial air or liquid fire): intuì la possibilità di rendere l’aria rarefatta, riscaldandola, affinché potesse galleggiare in aria più densa, ma le sue idee non furono prese in considerazione.
Nel Medioevo si tentò la via della propulsione per mezzo di razzi ma non si fronteggiarono ancora adeguatamente i tre problemi fondamentali legati al volo con mezzi più pesanti dell’aria: la spinta, la geometria del mezzo idonea alla partenza e il controllo in fase di volo.
Anche in questo campo Leonardo è l’icona dell’approccio riduzionista, per la sua propensione a scomporre in minuziose funzioni la tecnica del volo per imitare il movimento naturale degli uccelli; l’idea dell’ala battente si manterrà viva anche in tempi successivi, ma di fatto, un secolo e mezzo dopo, Giovanni Alfonso Borrelli, nel De motu animalium (1680), e Robert Hooke dimostrarono che il tentativo di imitare la natura nel volo era vano: si resero conto che la costituzione della muscolatura umana è inadatta al volo e il peso dell’apparato scheletrico è eccessivo (i volatili hanno le ossa cave, quindi molto leggere). L’ultimo barlume di speranza lo accese Lilienthal, che con i suoi alianti non solo tentò il volo umano, ma diede aiuto notevole agli stessi fratelli Wright.
Nel novembre 1783, i fratelli Montgolfier, industriali della carta, si librarono nel cielo con un pallone aerostatico, che da loro prese il nome. Il globo era fatto di carta sottile alternata a seta, tessuto di elevata resistenza a trazione, usato anche per giubbotti antiproiettile e armature (xiii-xiv secolo in Corea); la mongolfiera arrivò fino a mille metri di altezza. L’obiettivo di questo celeberrimo evento era quello di spettacolarizzare la scena, adibita per stupire lo spettatore.
Nel dicembre dello stesso anno, Jacques-Alexandre-César Charles, al quale si deve la legge omonima dei gas, ascese fino a 550 metri con la sua “charlière”. Questo nuovo pallone era composto da un materiale innovativo: veniva impregnata la seta imbevuta in una soluzione di trementina (un idrocarburo estratto dalle conifere) e lattice del caucciù. Una volta evaporato il solvente si otteneva una superficie impermeabile e dalle caratteristiche di resistenza alla trazione ancora incrementate.
Come in molti altri casi, allo stato prematuro una tecnologia assuma la stessa matrice (in questo caso il pallone), per poi dipanarsi in diverse ramificazioni atte farla evolvere (la diversificazione dei materiali).
Dalla fine del xviii secolo si iniziarono ad approfondire gli studi sulla fluidodinamica: fino ad allora, Torricelli, Newton, Pitot, Bernoulli ne avevano stabilito i fondamenti; Eulero si occupava solo del fluido in moto in un condotto fisso. Va menzionato il tubo di Pitot, strumento per misurare la velocità dell’acqua, che sarà il fulcro di studi successivi: era congeniato per quantificare il fluido che penetrava all’interno di un tubo muovendosi con moto laminare e velocità prefissata; il flusso è parallelo all’imboccatura di uno dei due tubi dello strumento, e il fluido non vi entra; il flusso è invece perpendicolare a quella dell’altro; il fluido riempirà il tubo di un dislivello che, confrontato con quello “a riposo” potrà fornire un’idea della velocità del flusso.
George Cayley nella sua opera On aerial navigation (1809) definì per la prima volta i cardini dell’aerodinamica, ossia “portanza” e “resistenza” di un corpo in moto relativo con il fluido dentro il quale è immerso. Da notare il termine navigation, con il quale si fa diretto riferimento al moto mezzo-fluido più semplice e conosciuto fino ad allora: la nave sull’acqua.
Nel xix secolo si cercò di perseguire la strada del pallone aerostatico con l’ausilio di svariate tipologie di propulsori: dal dirigibile governato da braccia umane, a quello spinto da un motore a vapore (1852, Giffard), poi a gas (1872, Haenlein), ed infine elettrico (1884, Renard e Krebs). Il solito problema che sussisteva ancora era quello della spinta: il mezzo non doveva sempre essere un “razzo-vettore”, ma si doveva anche sostenere in modo autonomo.

16 – padroni dell’acqua

norie

Il problema dell’energia è antico quasi quanto l’uomo, o almeno da quando l’uomo si dotò delle proprie appendici tecnologiche. Da sempre l’uomo ha cercato una fonte di energia per evitare una fatica o per sopperire all’insufficienza della propria forza.
L’acqua è stata ed è tuttora una delle più efficaci fonti di energia dalla quale l’uomo ha tratto supporto e profitto, ma prima dell’utilizzo a fini energetici, egli dovette risolvere il problema di attingere, distribuire e razionalizzare tale risorsa in modo da renderla utilizzabile.
In Medio Oriente, almeno dal i sec. a.C., fu utilizzato un sistema circolare che attraverso il ribaltamento ciclico di scodelle (il cosiddetto sistema “a norie”) permetteva il trasporto dell’acqua da un livello a un altro. Da allora, pur con l’apporto della tecnologia idrica dei Romani, gli avanzamenti furono pochi ma soprattutto, eccezion fatta per una crescente capacità di derivazione di canali da un corso d’acqua.
Una rilevante accelerazione si ebbe nel periodo rinascimentale, con i primi tentativi di quantificazione numerica delle risorse idriche; ciò avvenne proprio in Italia perché la penisola era (e rimane) molto più scarsamente rifornita di acqua rispetto ai paesi del Nord Europa: l’acqua era un bene, poiché, essendo limitato, era suscettibile di valutazione economica.
La prima macchina che consentì di sfruttare l’energia cinetica di un corso d’acqua in energia fu il mulino. Si hanno testimonianze di mulini ad acqua sin dal i sec. a.C., in epoca romana, e la tecnologia dei mulini non cambiò di molto sino a tutto il Medioevo.
Il funzionamento era basato sul flusso continuo e unidirezionale di un corso d’acqua che con il suo scorrere metteva in rotazione le pale del mulino. La trasmissione del moto della ruota avveniva per mezzo di ruote dentate.
Una prima forma di evoluzione, che non fosse solamente circoscritta a ottimizzare le prestazioni del mulino in sé, fu quella di mettere quasi in serie e in parallelo più mulini, l’uno in prossimità all’altro.
Un esempio di quest’evoluzione sono certamente i mulini di Barbegal. Il complesso risale agli inizi del iv secolo d.C. Posto su di un pendio, era composto da due serie parallele di otto ruote alimentate da due canali derivati dall′acquedotto di Arles. Le ruote idrauliche avevano un diametro di 2,7 m. Un carrello che si muoveva su un piano inclinato consentiva di far salire e scendere i carichi attraverso un meccanismo idraulico.
Quest′impianto consentiva una capacità di macinazione complessiva di 4 tonnellate di farina al giorno, sufficienti al fabbisogno di una popolazione di più di 10.000 abitanti, la popolazione di Arles a quel tempo.
Il primo campo nel quale fu impiegata la forza meccanica ottenuta dalla trasformazione dell’energia cinetica dell’acqua in lavoro fu la macinazione del grano.
Nel palmento mobile (mosso da una ruota dentata mossa a sua volta dalla ruota ad acqua) si ha un foro centrale attraverso cui cade il grano da macinare. Quando il palmento mobile si appoggia a quello fisso e si mette in moto, si sgretola il chicco; la farina scende attraverso le scanalature fuoriuscendo all’interno della cassa. Si può già dunque ben capire che l’ordine di accuratezza operativa di questo tipo di macchine, e specialmente nei palmenti, è comparabile alla dimensione di un chicco di grano o anche molto inferiore; si tratta di un caso di gestione della precisione pur ancora all’interno del paradigma del pressappoco.
Man mano che l’evoluzione tecnica va avanti si trovano sempre nuove applicazioni per il mulino. La fucina dei metalli fu la seconda grande applicazione della forza dell’acqua. La ruota a pale fa girare l’albero principale sul quale sono infissi cavicchi di legno che nella rotazione si appoggiano sulla coda del braccio del maglio, sollevandolo. Quando il cavicchio continua la rotazione, l’asta e il maglio alla sua estremità cadono sopra l’incudine sul ferro incandescente. La velocità delle battute dipende dalla ruota a pale e dalla velocità dell’acqua che le colpisce.
Col crescere delle esigenze e delle possibili applicazioni bisognava anche far fronte a problemi logistici sempre più articolati. Da semplici deviazioni di corsi d’acqua, i canali divennero oggetto di ingegnerizzazione e parte integrante del tessuto urbanistico e “industriale”.
A Torino, sin dal 1580 Emanuele Filiberto trasformò buona parte delle segherie in macine adibite alla produzione di polvere da sparo per evitare una dipendenza quasi totale dalle forniture estere: nacque così la Regia Fabbrica delle Polveri e Raffineria dei Nitri, che doveva essere alimentata in modo costante da un corso d’acqua di dimensioni sufficienti. Tuttavia, già dal 1717 lo stabilimento fu dotato di una macina mossa da cavalli che permetteva di non subordinare il funzionamento degli impianti alle discontinue piene della Dora.
Con l’aumentare degli ostacoli e delle esigenze, con l’accrescersi della volontà di rendere sempre migliori le prestazioni delle macchine alimentate dalla risorsa idrica, si verificò un ragguardevole sviluppo di due discipline: l’idraulica e la termodinamica, con la conseguente meccanica delle macchine a vapore.
Il rinnovo dell’idraulica vide i suoi principali interpreti in Edme Mariotte, Isaac Newton e Daniel Bernoulli, che si occuparono di studi di vario genere, compresi alcuni di grande importanza sulla geometria delle pale.
Il perfezionamento principale non fu dovuto al lavoro teorico degli scienziati, ma a esperimenti su modelli ridotti (John Smeaton nel 1762 e 1763 e Jean-Charles de Borda nel 1767).
All’inglese Smeaton si dovette l’aumento regolare dei rendimenti dei motori idraulici tra il 1750 e il 1780. Il xviii secolo fu il periodo in cui si ebbero i principali progressi nel campo.