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Storia della meccanica Evo antico Prof. Edoardo Rovida.

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Presentazione sul tema: "Storia della meccanica Evo antico Prof. Edoardo Rovida."— Transcript della presentazione:

1 Storia della meccanica Evo 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 laltezza delle Piramidi dalla lunghezza dellombra

5 Pitagora ( a.C.) Base di tutto è il numero Ordinamento matematico delluniverso Distinzione dei numeri in pari e dispari Fondazione della geometria(teorema omonimo)

6 Zenone di Elea( a.C.) Introduce il ragionamento per assurdo: dimostrazione della verità della tesi A, mediante la reductio ad absurdum dellantitesi non-A Valido tuttora quando si ha una situazione dicotomica: A non-A

7 Empedocle di Agrigento ( 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 dellenergia) 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 laria, sebbene invisibile, è una sostanza materiale

8 Atomisti(1) Leucippo Democrito( 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 dellalfabeto. 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)

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 delleliocentrismo)

11 Aristotele (384 a.C a.C.) Tramanda le conoscenze di Statica note ai suoi tempi Terra al centro dellUniverso Quattro elementi: aria, acqua, terra, fuoco Aria: unico gas conosciuto

12 Aristotele (384 a.C 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 a.C.) IV sec. A.C. fra i discepoli di Aristotele nasce unopera (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 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 a.C.) Secondo la leggenda avrebbe distrutto le navi romane durante lassedio di Siracusa(213 a.C.) In realtà, ci sarebbero voluti 440 uomini ciascuno con uno specchio di 1 m2 per produrre qualche bruciacchiatura su unarea 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 lacqua 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 tubo DE 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 dellepoca, 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 Laria calda proveniente dal fuoco acceso sullaltare spinge lacqua 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 dellaria Organo idraulico Clessidra ad acqua

26 Tolomeo II Filodelfo Alessandro Magno fonda Alessandria dEgitto(322 a.C.) Alessandria diviene presto un centro culturale importantissimo: 1.Museo(luogo dedicato alle Muse) 2.Biblioteca (oltre volumi = intero sapere greco)

27 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 dellautore(se non noto, ne veniva assegnato uno dufficio)

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 dellantichità 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 sullesperienza 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 dellantichità vivono, in mondi separati 1.Scienziati: speculazioni filosofico- scientifiche 2.Costruttori(architetti o meccanici): realizzazioni basate sullesperienza

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 dellepoca repubblicana allinizio 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 dEgitto(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 laveva 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 lenergia 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( 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 allaltro dellimpero Rapporto di costi stimato: 1:25

48 Trasporti via acqua Stazza Propulsione

49 Stazza Media 600 t( potenze kW) In alcuni casi 2000 t

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

51 La nave punica Ricostruzione al Museo di Marsala con pezzi del III secolo a.C. rinvenuti( ) nel mare antistante

52 La nave punica Legni lavorati dove erano disponibili(acero rosso e cedro in Libano, ulivo sulle coste mediterranee,…) e contrassegnati con una lettera dellalfabeto fenicio Pezzi portati in un unico cantiere Assemblaggio, avvalendosi dei contrassegni(assemblaggio e varo in 6 giorni)

53 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

54 La nave punica: utilizzo del…maiale(antenato delle biotecnologie) Senso dellorientamento: 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 larrivo di una tempesta

55 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)

56 Trasporti su terra Dorso duomo animali da soma animali da traino

57 Dorso duomo Diretto carichi infilati in un bastone appoggiato alle spalle di due uomini

58 Animali da soma A partire dal 5000 a.C.

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

60 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

61 Ruota romana Corpo ruota pieno, costituito da tre striscie, unite da fascette metalliche

62 Fabbricazione di ruote (Tebe 1500 a.C.)

63 Vaso etrusco con rappresentazione di carri

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

65 Un antenato dellelicottero(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 dallosservazione dellautorotazione dei semi dell'albero di sicomoro.

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

67 Rotaie Balbek e Palmera(Antico Egitto) Circa 2600 a.C. Resti di rotaie in bronzo

68 Macchine operatrici Gru Vite senza fine (o coclea) Pompa a pistone Mulino ad acqua Acquedotti

69 Gru Descritta da Vitruvio (1° sec. d.C.)

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

71 Puleggia fissa Non dà vantaggio in termini di modulo della forza Permette solo una variazione di direzione

72 Puleggia mobile (F = Q/2)

73 Puleggia fissa e mobile (vantaggi di entrambi i tipi)

74 Paranco semplice (soluzione compatta di puleggia fissa e mobile)

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

76 Verricello semplice (Q = F.b/r)

77 Verricello differenziale F = Q.b.(R-r)/2

78 Paranco differenziale (analogo al verricello differenziale)

79 Argano

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

81 Capra con paranco e verricello (Vitruvio De Architectura(1° se c. a.C.)

82 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

83 Vite senza fine(coclea) Per sollevamento di acqua Inventata da Archimede( a.C.)

84 Coclea

85 Coclea funzionante oggi

86 Coclea

87 Pompe a pistone Gioco pistone-cilindro mm) Rendimento volumetrico: ca. 95%

88 Acquedotti Sfruttano il dislivello in campo gravitazionale

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

90 Meridiana

91 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

92 Clessidra

93 Aratri (antico Lazio)

94 Aratro romano

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

96 Aratura etrusca (bronzetto – 400 a.C.)

97 Bassorilievo (pigiatura delluva – età romana-imperiale)

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

99 Pressa per olio(Grecia 600 a.C.)

100 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

101 Chiodi romani rinvenuti in Gran Bretagna Classi dimensionali: approccio alla standardizzazione

102 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

103 Cuscinetti a rotolamento(Egizi)

104 Cuscinetti a rotolamento(Antica Grecia) Diades (900 a.C.) (ingegnere di Alessandro Magno)

105 Cuscinetti a rotolamento (Navi di Nemi)

106

107 Cusscinetti a rotolamento (Navi di Nemi)

108 Cuscinetti a rotolamento (Navi di Nemi)

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

110 Organizzazione del lavoro Nascono forme embrionali antico artigiano: lavora su commessa, realizzando ciò che è più adatto alle esigenze del cliente allargarsi dei mercati: lartigiano deve tenere conto delle esigenze presumibili si arriva ad una rudimentale standardizzazione

111 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

112 Metalli Rame( molto usato per facilità di estrazione, duttilità, possibilità di formare molte leghe) Ferro Zinco Piombo

113 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 larco 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.

114 Esempi di balestre del mondo antico

115 Confronto arco-balestra ARCO I cavalieri dellesercito 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. Larciere 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 limpero Chang, 1700 – 1100 a.C., ritrovati nella provincia di Chensi. In Giappone si usava intorno al 1000 a.C.

116 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)

117 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


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