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Le macchine nel medioevo

La storia della tecnica nel medioevo e nel rinascimento presenta una curiosa ambiguità: da un lato infatti compaiono molte nuove invenzioni o nuove applicazioni di invenzioni antiche, dall'altro le macchine continuano a essere ignorate dalla cultura ufficiale.


Il concetto di macchina

Se per noi il concetto di «macchina» indica semplicemente qualsiasi apparecchio in grado di compiere un lavoro, nell'età medievale e rinascimentale questa parola aveva un significato diverso e più simile a quello dell'antichità. La parola «macchina» infatti deriva dal verbo greco mhcanaomai (pronuncia: mecanaomai) che indica contemporaneamente l'atto del costruire e dell'edificare ma anche quello dell'ingannare (una eco di questo secondo significato è rimasto nella parola italiana «macchinazione» che deriva dalla stessa radice). Una macchina, nel senso greco del termine, è qualcosa che inganna la natura, violandone le leggi per ottenere lo scopo voluto dall'uomo. Per esempio la macchina più semplice, la leva, si oppone alla «naturale» tendenza dei corpi a cadere verso il basso e permette di sollevare in modo «innaturale» un grande peso con poco sforzo. Filosofi e dotti inoltre non si interessavano alla possibilità di usare le conoscenze matematiche e scientifiche per effettuare un lavoro risparmiando energia, perché questa veniva fornita a basso costo dagli schiavi. Se un ingegnere o uno scienziato inventava una nuova macchina era di solito per creare degli «effetti speciali»: lo scienziato greco Erone di Alessandria, per esempio, aveva compiuto notevoli scoperte sul vapore, ma le utilizzò a quanto pare solo per realizzare un meccanismo che faceva aprire automaticamente le porte di un piccolo tempio quando veniva acceso il fuoco sull'altare antistante. In questo caso risulta prevalente il desiderio di stupire il pubblico piuttosto che di creare una macchina realmente utile.

Un caso a parte, naturalmente, era rappresentato dalle macchine da guerra, in particolare da quelle ossidionali (cioè da assedio), la cui utilità era evidente a tutti. Tuttavia le macchine, anche complesse, che venivano costruite dai greci nel periodo ellenistico e poi dai romani erano soprattutto basate sull'esperienza e non sulle conoscenze teoriche disponibili al tempo.

Nel medioevo la situazione rimase sostanzialmente immutata: da un lato filosofi e scienziati (con poche eccezioni) restavano legati a una riflessione prevalentemente teorica, mentre i «meccanici» (ossia i tecnici) affrontavano a risolvevano i problemi pratici sulla base dell'esperienza, trasmessa di generazione in generazione.
Le macchine semplici (leva, carrucola, asse della ruota, piano inclinato, cuneo) erano già note dall'antichità, e in questo campo nel medioevo e nel rinascimento si assiste solo a una applicazione più sistematica e razionale.

Ruota ad acqua

Pose invece nuovi problemi la diffusione della ruota ad acqua (già presente nella tarda antichità ma che assunse il ruolo di principale motore primario solo nel medioevo) e quella del mulino a vento. Queste macchine infatti producono solo un moto circolare, e anche se esso si presta facilmente a essere usato per azionare le mole per macinare il grano (tanto che la ruota mossa ad acqua diventò per antonomasia quella del mulino), diventò ben presto evidente l'utilità o addirittura la necessità di trasformare il moto circolare in moto rettilineo.

I mulini di Dolo - Venezia Un esempio di ruota ad acqua per di sotto: i mulini di Dolo, nei pressi di Venezia (Dolo, 2008).
 Mulino per di sopra  Un esempio di ruota ad acqua per di sopra: il Mulino di Siusi, in Trentino (Siusi, 2006).
mulino alpe di siusi rocchetto  Prima dell'invenzione dei moderni ingranaggi conici, questo era l'unico modo in uso per trasformare la direzione di un movimento circorale. 
 meccanismo  Modello moderno in scala del meccanismo che permetteva di trasformare il movimento generato dalla ruota ad acqua su un asse orizzontale in un movimento su un asse verticale (Bormio, 2010)

Camma

Il primo meccanismo inventato per ottenere questo risultato fu la camma. Nella forma attuale si tratta di un disco metallico di forma ovale attraversato da un asse in movimento rotatorio: un corpo, tenuto in contatto da una molla con la camma, durante la rotazione di quest'ultima viene alternativamente allontanato e avvicinato all'asse. Nel medioevo il meccanismo era più rozzo e consisteva in una o più palette, fissate all'asse in rotazione, che durante il loro movimento rotatorio strisciavano su un corpo allontanandolo dall'asse. Il movimento di ritorno al passaggio della paletta poteva essere ottenuto semplicemente per gravità, oppure sfruttando l'elasticità di un ramo di legno.

Villard de Honnecourt, un ingegnere francese del XIII secolo, ci ha lasciato nel suo famoso e importantissimo Livre de portaiture lo schizzo di una sega idraulica basato su questo principio: l'attrezzo veniva mosso alternativamente nei due sensi da una ruota idraulica e da una lunga asta di legno elastica, che scattava quando il meccanismo a camme fissato all'asse della ruota si disimpegnava.

La variante basata sulla forza di gravità veniva usata invece per far funzionare le macchine più pesanti, come i magli dei fabbri o, più tardi, i mantici degli altiforni: in questo caso la camma portava l'attrezzo nella parte superiore della corsa e il lavoro veniva svolto nella fase discendente sfruttando semplicemente il peso dell'attrezzo stesso. Con l'introduzione della camma l'energia idraulica poté essere usata per gli usi più svariati, dalle fonderie alle segherie, dalle fucine ai laboratori tessili. Nel campo tessile in particolare l'accoppiata ruota idraulica - camma permise di meccanizzare l'operazione della follatura, una operazione che serviva ad aumentare la consistenza dei tessuti. La follatura tradizionalmente veniva compiuta da operai scalzi che pestavano i panni immersi in un liquame a base di orina (era l'unico modo per disporre dell'ammoniaca necessaria al processo): già dalla seconda metà del X secolo però, probabilmente in Italia, si iniziò usare le ruote ad acqua per azionare degli appositi magli, riducendo sensibilmente i costi di produzione e rendendo i prodotti italiani competitivi nei confronti di quelli orientali.

Biella

Intorno al XV secolo fu introdotta una importante novità: la biella con manovella, ossia un'asta rigida imperniata da una parte alla circonferenza di un disco in movimento, e all'altra a un pattino in grado di scorrere all'interno di una guida. Con questo meccanismo il movimento circolare fornito dalla ruota idraulica poteva essere trasformato efficacemente in un moto alternativo senza dover ricorrere a pesi o a elementi elastici, e il campo di applicazione dell'energia idraulica crebbe ancora di più.
In ogni caso queste macchine esigevano ingranaggi sempre più compiessi e robusti per spostare il senso del movimento da un piano all'altro (per esempio dal piano verticale della ruota ad acqua a quello orizzontale di una macina). Gli ingranaggi disponibili erano però ancora piuttosto primitivi: si trattava di solito di meccanismi in legno, fragili e con un attrito elevato, nei quali i denti di una ruota andavano a incastrarsi in un «rocchetto» (specie di gabbietta circolare le cui sbarre erano posizionate a intervalli corrispondenti a quelli dei denti della ruota). Molto spesso poi erano necessari dei meccanismi di demoltiplicazione, che a causa dell'attrito elevato riducevano sensibilmente il rendimento complessivo.
L'energia idrica aveva il grande svantaggio di essere estremamente localizzata: mulini, fucine, impianti di follatura dovevano necessariamente collocarsi lungo i corsi d'acqua, meglio se in prossimità di un forte dislivello del terreno. Per poter sfruttare l'energia idrica anche lontano dai fiumi e dai torrenti furono inventati nella regione tedesca dell'Erzebirge dei complicati meccanismi ad asta che permettevano di trasmettere l'energia ricavata da un ruota idraulica fino a sette chilometri di distanza. Il meccanismo aveva però un rendimento molto basso e non conobbe vasta diffusione.

Gru

Era inevitabile perciò  ricorrere in molti casi all'energia animale o addirittura a quella umana. Per la movimentazione di grandi carichi (per esempio nei cantieri edili o nei porti) erano disponibili grandi gru mosse a energia umana, simili a quelle già descritte nell'antichità dall'architetto romano Vitruvio: gruppi fino a sei-otto uomini, camminando in strutture a «gabbia di scoiattolo» (simili a quelle presenti nelle gabbiette per criceti domestici), facevano ruotare un tamburo su cui veniva avvolto il cavo che sollevava il peso. Queste strutture potevano raggiungere dimensioni imponenti, fino a una decina di metri di altezza, ed essere coperte da un tetto spiovente per permettere il lavoro anche con tempo cattivo. I quadri di Brueghel il Vecchio dedicati alla Torre di Babele ci forniscono una raffigurazione precisa degli altri strumenti di lavoro in un cantiere edile.

La torre di Babele di Brueghel

La Torre di Babele di Brueghel (1563). Clicca per ingrandire.
Si notino sulla destra le macchini edili del Cinquecento,
non molto diverse da quelle dei secoli precedenti (Fonte Wikipedia)




Pompe

Nel corso del Cinquecento crebbe notevolmente l'importanza degli strumenti per l'estrazione dell'acqua, perché sia nelle miniere sia nelle opere idrauliche pubbliche si resero indispensabili macchinari di dimensioni sempre maggiori. Nelle miniere, in particolare, le infiltrazioni d'acqua rendevano spesso impraticabili i cunicoli più profondi, rendendo indispensabile un pompaggio continuo.

Siamo informati sulla situazione, le tecniche e le macchine in uso in questo settore nella Germania rinascimentale grazie all'umanista tedesco Georg Bauer (1494-1555), più noto col nome latinizzato di Agricola, che nel 1550 completò il De Re Metallica, un'imponente opera in dodici libri in cui vengono descritti con grande precisione e ricchezza di particolari le tecniche minerarie e metallurgiche dell'epoca. Le tavole che illustrano l'opera  mostrano tra l'altro una grande e sofisticata ruota ad acqua che serviva a manovrare i secchi che portavano in superficie il materiale di scavo di una miniera. Era costituita in realtà da due ruote accoppiate, progettate per ruotare alternativamente nei due sensi di rotazione. La corrente d'acqua poteva essere diretta, tramite apposite chiuse, sull'una o sull'altra ruota, in modo da ottenere una rotazione in senso orario o antiorario e potere così avvolgere o svolgere la catena che sollevava il secchio.

Ma una attenzione ancora maggiore viene riservata nel libro ai meccanismi per il pompaggio dell'acqua (sono descritti ben sette tipi di pompe aspiranti). Le pompe aspiranti avevano un numero sempre maggiori di parti realizzate in metallo, perché ci si era ben presto resi conto che il loro rendimento dipendeva dalla perfetta tenuta dello stantuffo nel cilindro. Le valvole era realizzare in cuoio oppure con dischetti di metallo. La base teorica per la comprensione del funzionamento della pompa aspirante era ancora la teoria aristotelica dell'horror vacui (letteralmente: «orrore del vuoto») in base alla quale l'acqua sale nella pompa perché la natura non può tollerare alcuno spazio vuoto. In realtà questa teoria non riusciva a render ragione del fatto che con questo apparecchio è impossibile sollevare l'acqua a un'altezza superiore ai dieci metri circa : anche nel libro di Agricola il problema viene superato costruendo batterie di pompe, poste ad altezze diverse, in modo da sollevare l'acqua a tappe. La riflessione teorica sull'impossibilità di sollevare l'acqua al di sopra di una certa altezza avrebbe poi portato nel corso del Seicento alla scoperta della pressione atmosferica e quindi all'invenzione delle macchine a vapore.

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