Storia della meccanica Evo antico

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Storia della meccanicaEvo antico

• Prof. Edoardo Rovida

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Evo antico

• Speculazioni scientifiche
• Rapporti fra scienza e tecnica
• Tecnica
• Nascita del mecenatismo

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Speculazioni scientifiche

• Talete
• Pitagora
• Zenone
• Empedocle
• Atomisti
• Anassimandro
• Filolao
• Aristotele
• Archimede
• Euclide
• Claudio Tolomeo
• Ipparco
• Scuola Alessandrina

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Talete

• Studia le eclissi
• Misura laltezza delle Piramidi dalla lunghezza
  dellombra

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Pitagora (582-497 a.C.)

• Base di tutto è il numero
• Ordinamento matematico delluniverso
• Distinzione dei numeri in pari e dispari
• Fondazione della geometria(teorema omonimo)

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Zenone di Elea(495-430 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

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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 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

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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

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Atomisti(2)

• Gli atomi si combinano fra loro come le lettere
  dellalfabeto.
• Tutti gli enti naturali dalle caratteristiche
  degli atomi
• Forma(A differisce da N)
• Posizione(N differisce da Z)
• Ordine(AN differisce da NA)

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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)

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Aristotele (384 a.C.- 322 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

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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

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Aristotele (384 a.C.- 322 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

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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

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Archimede (288 a.C. - 212 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

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Euclide (2 secolo a.C.)

• Elementi di Geometria

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Claudio Tolomeo (2 sec. a.C.)

• Almagesto sintetizza tutte le conoscenze
  astronomiche note fino ad allora
• Primi tentativi di teoria della rifrazione

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Ipparco

• Atlante stellare di 1080 stelle
• Osserva che le stelle fisse in realtà si
  muovono
• Calcola con grande esattezza la precessione degli
  equinozi

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Scuola alessandrina(4-3 sec. a.C. il centro
intellettuale del mondo si sposta da Atene ad
Alessandria)

• Erone
• Ctesibio
• Tolomeo II Filodelfo

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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)

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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

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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.

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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

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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.

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Ctesibio(2 secolo a.C. maestro di Erone)

• Compressibilità dellaria
• Organo idraulico
• Clessidra ad acqua

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Tolomeo II Filodelfo

• Alessandro Magno fonda Alessandria dEgitto(322
  a.C.)
• Alessandria diviene presto un centro culturale
  importantissimo
• Museo(luogo dedicato alle Muse)
• Biblioteca (oltre 400.000 volumi intero sapere
  greco)

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Biblioteca

• Nascono allora alcuni aspetti del libro moderno,
  introdotti ad Alessandria per esigenze di
  catalogazione
• Indicazione del titolo (sempre o spesso omesso
  prima)
• Indicazione dellautore(se non noto, ne veniva
  assegnato uno dufficio)

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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

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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

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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

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Tecnici e scienziati dellantichità vivono, in
mondi separati

1. Scienziati speculazioni filosofico-scientifiche
2. Costruttori(architetti o meccanici)
   realizzazioni basate sullesperienza

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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

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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

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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)

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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

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Tecnica

• Progettazione
• realizzazioni

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Progettazione

• Non formalizzata
• Basata su osservazioni dirette
• Porta, comunque, a realizzazioni notevoli

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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

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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)

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Macchine semplici(corrispondono alle coppie
meccaniche elementari)

• Cuneo(prismatica)
• Leva(rotoidale)
• Vite(elicoidale)
• Loro combinazioni

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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

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Energia idraulica

• Mulini ad acqua
• Ruote idrauliche

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Mulini ad acqua

• Ad asse verticale inventato dai Greci
• Ad asse orizzontaleinventato dai Romani

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Ruote idrauliche

• Ruota per di sotto
• Ruota per di sopra
• Ruota per di fianco

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Trasporti

• Terrestri(energia disponibile scarsa costi
  molto elevati)
• Per acqua(costi inferiori)

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Trasporti(notizia da Catone(234-149 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)

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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 125

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Trasporti via acqua

• Stazza
• Propulsione

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Stazza

• Media 600 t( potenze 30-40 kW)
• In alcuni casi 2000 t

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Propulsione

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

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La nave punica

• Ricostruzione al Museo di Marsala con pezzi del
  III secolo a.C. rinvenuti(1969-71) nel mare
  antistante

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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(assembl
  aggio e varo in 6 giorni)

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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

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La nave punica utilizzo delmaiale(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

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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)

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Trasporti su terra

• Dorso duomo
• animali da soma
• animali da traino

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Dorso duomo

• Diretto
• carichi infilati in un bastone appoggiato alle
  spalle di due uomini

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Animali da soma

• A partire dal 5000 a.C.

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

• Veicoli
• strade

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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

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Ruota romana

• Corpo ruota pieno, costituito da tre striscie,
  unite da fascette metalliche

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Fabbricazione di ruote (Tebe 1500 a.C.)
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Vaso etrusco con rappresentazione di carri
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Carro per trasporto legname(bassorilievo assiro
700 a.C.)
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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.

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Strade

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

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Rotaie

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

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Macchine operatrici

• Gru
• Vite senza fine (o coclea)
• Pompa a pistone
• Mulino ad acqua
• Acquedotti

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Gru

• Descritta da Vitruvio (1 sec. d.C.)

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Macchina di sollevamento romana (2 sec. a.C.)
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Puleggia fissa

• Non dà vantaggio in termini di modulo della forza
• Permette solo una variazione di direzione

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Puleggia mobile (F Q/2)
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Puleggia fissa e mobile(vantaggi di entrambi i
tipi)
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Paranco semplice(soluzione compatta di puleggia
fissa e mobile)
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Paranco multiplo(o taglia)(equivale a n paranchi
semplici)
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Verricello semplice(Q F.b/r)
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Verricello differenzialeF Q.b.(R-r)/2
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Paranco differenziale(analogo al verricello
differenziale)
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Argano
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Gru azionata da ruota a timpano(1 sec.d.C.)
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Capra con paranco e verricello(Vitruvio De
Architectura(1 se c. a.C.)
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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

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Vite senza fine(coclea)

• Per sollevamento di acqua
• Inventata da Archimede(286-211 a.C.)

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Coclea
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Coclea funzionante oggi
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Coclea
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Pompe a pistone

• Gioco pistone-cilindro 0.10-0.35 mm)
• Rendimento volumetrico ca. 95

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Acquedotti

• Sfruttano il dislivello in campo gravitazionale

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Bilancia a stadera(vaso greco 800 a.C.)
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Meridiana
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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

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Clessidra
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Aratri (antico Lazio)
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Aratro romano
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Aratura (mosaico romano di una villa in Tunisia
3 sec. d.C.)
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Aratura etrusca (bronzetto 400 a.C.)
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Bassorilievo(pigiatura delluva età
romana-imperiale)
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Scene agricole(dalla tomba del fornaio Eurisace
mulino, impastatrice, cottura del pane, pesatura
e vendita)
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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

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Chiodi romani rinvenuti in Gran Bretagna

• Classi dimensionali approccio alla
  standardizzazione

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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

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Cuscinetti a rotolamento(Egizi)
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Cuscinetti a rotolamento(Antica Grecia)

• Diades (900 a.C.) (ingegnere di Alessandro Magno)

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Cuscinetti a rotolamento(Navi di Nemi)
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Cuscinetti a rotolamento(Navi di Nemi)
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Cusscinetti a rotolamento(Navi di Nemi)
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Cuscinetti a rotolamento(Navi di Nemi)
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Cuscinetti a rotolamento (1 sec. d.C.)
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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

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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

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Metalli

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

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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.

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Esempi di balestre del mondo antico
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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.

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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)

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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