Eolipila, macchina di Erone e altre invenzioni

Fig. 1

Erone di Alessandria. Codice di Saint Gregory Nazianzenos. Manoscritto greco del IX secolo

Non è una novità: gli antichi Greci hanno raggiunto un altissimo livello di conoscenze ed hanno contribuito a costruire, per i popoli del Mediterraneo, le basi della cultura.

Tra i tanti personaggi storici antichi merita una menzione speciale Erone di Alessandria che, con le sue invenzioni, fu in grado di stupire ed impressionare i contemporanei.

Probabilmente il nome di Erone rievoca un ricordo lontano: quello relativo ad una formula geometrica che permette di calcolare l’area di un triangolo, conoscendo solo la lunghezza dei lati a, b, c.

con p semiperimetro del triangolo.

Cosa sappiamo di Erone?

In realtà si conosce molto poco, non è sicuro neppure il periodo in cui visse: si va dal I secolo d.C. al III d.C., anche se alcuni documenti storici individuano come periodo più probabile quello dagli anni 10 al 70 d.C.

Strano avere così poche certezze su uno dei più grandi ingegneri e matematici della sua epoca; infatti Erone fu il direttore della prestigiosa “Scuola Meccanica” di Alessandria, all’interno dei due fondamentali luoghi di studio e insegnamento della città, ossia il Museo e la Biblioteca.

Erone scrisse diversi trattati su  discipline specifiche.

Uno dei più famosi è “La Pneumatica”, considerata tuttora un’opera di grande spessore, che si apre con una introduzione teorica seguita dalla descrizione di numerosi dispositivi, azionati dalla pressione dell’acqua, del vapore e dell’aria compressa.

In questo trattato lo studioso alessandrino rende evidenti le sue capacità di inventore, in grado di progettare dispositivi quali l’eolipila, la fontana detta di Erone e la macchina per l’apertura delle porte del Tempio.

Quali sono le caratteristiche di queste macchine?

La sfera di Eolo

Partiamo dall’eolipila, o sfera di Eolo. La macchina mostra come l’energia termica possa essere trasformata in energia meccanica sfruttando la pressione che deriva dal riscaldamento di acqua posta all’interno di una sfera metallica.

Si tratta di un esempio di turbina, che dimostra quanto fosse alto il livello di conoscenza tecnica raggiunto dall’umanità, ben 1600 anni in anticipo rispetto all’invenzione della prima macchina a vapore sviluppata nel 1690 da Denis Papin. Mentre la macchina di Papin sarà costruita con lo scopo di produrre lavoro meccanico, l’eolipila di Erone era, probabilmente, solo una curiosità, quasi un gioco da mostrare agli studenti, senza avere alcuna necessità di ricercare un’utile applicazione dei principi di funzionamento.

In questo senso, si può pensare a come sia stata un’occasione sprecata per il progresso!

Come funziona e che aspetto ha questo “motore termico” di Erone? 

La sfera di Eolo è un dispositivo molto semplice: è costituita da un contenitore – tipicamente una sfera – sospeso a un appoggio e quindi libero di ruotare almeno in una direzione. Dalla sfera dipartono verso l’esterno, in versi opposti, due tubi ricurvi a forma di “L”.

Fig. 2

Dal libro “The Science-History of the Universe” by Francis Rolt-Wheeler, Copyright 1910 From the book, Current Literature Publishing Company, New York.

La sfera contiene acqua riscaldata fino all’ebollizione. Il vapore, che si forma all’interno della sfera, esce dai due tubi ed esercita una forza che fa muovere la sfera secondo il terzo principio della dinamica, il principio di azione e reazione.

Gli automi di Erone

Degna di menzione perché molto particolare è l’opera “Sugli automi” in cui Erone illustra teatrini dotati di moto autonomo, rettilineo o circolare, per tutta la durata dello spettacolo.

Possiamo vedere il frontespizio di un’edizione del 1589 “De automatis”.

Fig. 3

Tra tutte le opere di Erone il capolavoro è il trattato di Meccanica, giunto fino a noi esclusivamente nella traduzione araba.

In questo testo lo scienziato alessandrino porta a sistemazione definitiva sia l’aspetto teorico, sia quello pratico della Meccanica, riconducendo tutti i dispositivi alle cinque macchine semplici – leva, argano, carrucola, vite e cuneo.

Erone e le sue porte automatiche

Tra le macchine descritte ce n’è una particolarmente famosa la “Macchina di Erone” che serviva ad aprire e chiudere automaticamente le porte del Tempio di Serapide ad Alessandria, un’antica versione delle moderne porte automatiche!

Fig. 4

Il sistema utilizzava l’espansione dell’aria calda; il sacerdote accendeva il fuoco sull’altare antistante alle porte del Tempio.

Il fuoco riscaldava l’aria contenuta nella base dell’altare e ne provocava l’espansione. L’aria calda entrava nel serbatoio (H) sottostante e contenente acqua; si produceva vapore che entrava nel tubo (K), condensava e mediante un sifone (L) l’acqua formatasi dalla condensazione veniva spinta in un secchio (N), appeso ad una fune collegata ai cardini delle porte.

Il peso crescente dell’acqua causava l’abbassamento del secchio e quindi, attraverso l’azione di un contrappeso, si otteneva l’apertura delle porte.

Osservazione importante: il tubo del sifone si estendeva fin quasi al fondo del secchio per cui, quando il fuoco veniva spento e l’aria si contraeva raffreddandosi, l’acqua veniva “risucchiata” nel serbatoio (H) e l’azione del contrappeso faceva chiudere le porte.

E la fontana di Erone?

La fontana di Erone è una macchina idraulica che crea un effetto sorprendente.

Un treppiede di legno intagliato e decorato sostiene due globi di vetro sovrapposti e muniti di ghiere di ottone.

Fig. 5

Fontana di Erone (Inv. 2153) Seconda metà del XVIII secolo

Museo Galileo di Firenze

Sul globo superiore è montata una coppa di vetro intagliato. Un tubo, collegato alla coppa mediante una piccola apertura, attraversa il globo superiore e pesca in quello inferiore.

Un secondo tubo mette in comunicazione i due globi, mentre un tubo più corto pesca nel globo superiore e termina con un ugello al centro della coppa.

Per far funzionare l’apparecchio è necessario riempire d’acqua il globo superiore. La fontana viene poi innescata versando a filo dell’acqua nella coppa. A questo punto l’acqua fluisce nel globo inferiore e ne scaccia l’aria che viene così convogliata e compressa nel globo superiore. Come conseguenza, l’acqua in esso contenuta viene spinta dalla pressione dell’aria e, risalendo nel tubo più corto, zampilla dall’ugello ricadendo nella coppa.

Il funzionamento della fontana continua sino al riempimento dell’ampolla inferiore, non è una macchina a moto perpetuo!

Le fontane di Erone di fogge, dimensioni e materiali diversi o apparecchi simili come le fontane intermittenti venivano usate anche come curiosi centrotavola dai quali zampillavano vino o bevande colorate.

Le caratteristiche costruttive della fontana in figura sono tipiche degli apparecchi francesi descritti da Jean-Antoine Nollet. L’oggetto della fotografia proviene dalle collezioni lorenesi.