Rankine, ingegnere e poeta

Nell'opera di William John Maquorn Rankine (1820-1872) si sviluppò una nuova relazione tra scienza e tecnologia. Il suo maggior risultato fu la produzione di una serie di lavori che divennero libri di testo standard per gli studenti d’ingegneria per tutta la seconda metà del XIX secolo e anche oltre. Nato a Edimburgo nel 1820, sviluppò un precoce interesse per la scienza e la tecnologia, incoraggiato dal padre che era un tecnico ingegnere di formazione empirica. Nel novembre 1836 entrò all'Università di Edimburgo e studiò filosofia naturale, interessandosi alla relazione tra calore e luce e vincendo una medaglia d’oro per la sua ricerca. 

Dopo due anni d’Università, fece un po’ di pratica ingegneristica assistendo il padre, che era diventato sovrintendente di un ramo delle ferrovie scozzesi. Più tardi, per acquisire maggiore esperienza, Rankine divenne allievo di Sir John MacNeill, un celebre ingegnere impegnato nella costruzione di ferrovie, sistemazione di fiumi e porti in Irlanda. Finito il suo tirocinio nel 1842, tornò in Scozia e, in collaborazione con il padre si dedicò agli esperimenti ingegneristici. Divenne ingegnere professionista, anche se continuò a interessarsi di scienza. Durante i periodi di riposo, studiò le leggi del calore e della luce secondo l’ipotesi meccanica dei vortici molecolari. Nel 1855 fu nominato professore regio di Ingegneria Civile e Meccanica all'Università di Glasgow, ruolo che conservò fino al 1872. Mentre era a Glasgow, Rankine pose le basi per un nuovo rapporto tra scienza e tecnologia e fornì importanti contributi alla scienza dei materiali, all'ingegneria civile e dei trasporti, alla termodinamica e alla fluidodinamica. 

La scienza ingegneristica si era sviluppata al di fuori dall'ambiente universitario e la sua introduzione nei curricula accademici in Gran Bretagna avvenne solo quando l’ingegneria si sviluppò a livello professionale. Nel 1840 fu inaugurata una cattedra di ingegneria all'Università di Glasgow in memoria di James Watt. La cosa, tuttavia, non avvenne senza resistenze: le facoltà scientifiche esistenti consideravano i principi teorici dell’ingegneria come parte della scienza. Lewis Gordon, che fu il primo docente di ingegneria, lamentò la “gelosia dei professori di filosofia naturale (fisica) e matematica”, che giunsero a fargli negare un’aula dove tenere lezione. Alla fine l’ottenne, a patto di privilegiare gli aspetti pratici nelle sue lezioni, il che non era molto attraente per la maggior parte degli studenti, che quei contenuti li potevano apprendere direttamente sul campo. 

Quando Rankine divenne professore nel 1855, era consapevole di questa situazione. Sapeva che non poteva privilegiare l’aspetto pratico a scapito di quello teorico. Piuttosto, l’ingegneria dentro l’Università doveva essere una branca autonoma del sapere, con i suoi propri metodi e leggi. Era necessario creare una scienza ingegneristica.

Forse ispirato dalle difficoltà dell’ingegneria a farsi riconoscere come scienza accademica, Rankine scrisse una graziosa e spiritosa poesia, A problem in Dynamics, in cui non è chiaro se se il matematico innamorato di cui parla a poesia sia una persona reale, un puro divertimento dell'autore, o uno dei tanti capitoli della secolare lotta tra matematici e ingegneri.

A mathematician fell madly in love 

With a lady, young, handsome, and charming: 

By angles and ratios harmonic he strove 

Her curves and proportions all faultless to prove. 

As he scrawled hieroglyphics alarming. 

He measured with care, from the ends of a base, 

The arcs which her features subtended: 

Then he framed transcendental equations, to trace 

The flowing outlines of her figure and face, 

And thought the result very splendid. 

He studied (since music has charms for the fair) 

The theory of fiddles and whistles,- 

Then composed, by acoustic equations, an air, 

Which, when 'twas performed, made the lady's long hair 

Stand on end, like a porcupine's bristles. 

The lady loved dancing:- he therefore applied, 

To the polka and waltz, an equation; 

But when to rotate on his axis he tried, 

His centre of gravity swayed to one side, 

And he fell, by the earth's gravitation. 

No doubts of the fate of his suit made him pause, 

For he proved, to his own satisfaction, 

That the fair one returned his affection;-"because, 

"As every one knows, by mechanical laws, 

"Re-action is equal to action." 

"Let x denote beauty,-y, manners well-bred,- 

"z, Fortune,-(this last is essential),- 

"Let L stand for love"-our philosopher said,- 

"Then L is a function of x, y, and z, 

"Of the kind which is known as potential." 

"Now integrate L with respect to d t, "

(t Standing for time and persuasion); 

"Then, between proper limits, 'tis easy to see, 

"The definite integral Marriage must be:- 

"(A very concise demonstration)." 

Said he-"If the wandering course of the moon 

"By Algebra can be predicted", 

"The female affections must yield to it soon"-

- But the lady ran off with a dashing dragoon, 

And left him amazed and afflicted. 

Un matematico s’innamorò follemente 

di una signora, giovane, bella e attraente: 

con angoli e rapporti armonici lottò 

per provare tutte perfette le sue curve e proporzioni. 

E scarabocchiò geroglifici allarmanti. 

Misurò con cura, dagli estremi alla base, 

gli archi sottesi dai suoi lineamenti: 

poi formulò equazioni trascendentali, per tracciare 

i profili fluenti del suo corpo e del viso, 

e pensò che il risultato era splendido. 

Studiò (poiché la musica incanta le fate) 

la teoria di flauti e violini, - 

poi compose, con equazioni acustiche, un motivo, 

che, suonato, rese i lunghi capelli della signora 

ritti fino in cima, come punte di porcospino. 

La signora amava danzare: - egli allora applicò, 

alla polka e al valzer, un’equazione; 

ma quando tentò di ruotarla sul suo asse, 

il suo centro di gravità si spostò su un lato, 

e lui cadde, per la gravità terrestre. 

Nessun dubbio sul destino della sua corte lo fermò, 

in quanto provò, per sua propria soddisfazione, 

che la bella corrispondeva il suo affetto: - “perché, 

come tutti sanno, per le leggi meccaniche, l

a reazione è uguale all'azione”. 

“Che x indichi la bellezza, - y i modi bene educati, - 

z la Fortuna, - (quest’ultima è essenziale),- 

Che A indichi l’amore” – disse il nostro filosofo, 

- “Allora A è una funzione di x, y e z, 

di quel genere che è noto come potenziale”. 

“Ora si integri A rispetto a dt, 

(t sia il tempo e la persuasione); 

allora, tra limiti adatti, è facile vedere, 

che l’integrale definito Matrimonio si ottiene:- 

(una dimostrazione molto concisa).” 

Disse: - “Se il corso errante della luna 

può essere predetto dall'Algebra, 

gli affetti femminili devono cederle presto”- 

Ma la signora fuggì via con un elegante dragone, 

e lo lasciò stupito e afflitto”.

Nel 1858, nell'introduzione al suo Manuale della macchina a vapore e di altri motori primari, fornì il quadro teorico per fondare una scienza autonoma dell’ingegneria. Egli distingueva tra due modi di progresso della tecnologia, quello empirico, continuo e lento, fatto di accumulo di conoscenze pratiche, materiali e abilità successive, e quello scientifico, somma di teoria e pratica, che procede a salti man mano che procedono le nostre conoscenze sulle leggi scientifiche e le proprietà dei corpi.

Lo stesso approccio scientifico fu applicato all'ingegneria civile, dove introdusse in Gran Bretagna il concetto di sforzo. Nel Manuale di Meccanica applicata (1858) distingueva, nella teoria delle strutture, tra l’azione delle forze su una struttura considerata nel suo complesso e lo sforzo agente sui singoli componenti materiali. La struttura poteva essere studiata con i principi scientifici della statica per determinare la stabilità in base a due condizioni d’equilibrio. Innanzi tutto, dovevano essere bilanciate le forze esercitate sulla struttura nel suo complesso, come il peso, i carichi esterni, la pressione delle fondazioni. In secondo luogo, dovevano essere bilanciate le forze agenti su ogni singolo componente, come il suo peso, il carico su di esso, la resistenza dei giunti. 

La teoria delle strutture dipendeva anche dalle proprietà dei materiali. Quando Rankine si occupò della loro natura, doveva determinare le condizioni di equilibrio legate alla resistenza e alla durezza. Queste condizioni dipendevano dai dati pratici ottenuti dai test. La maggior parte dei dati riguardanti la resistenza era ottenuta testando un pezzo di materiale sotto tensione, compressione o flessione fino alla rottura. Il modo in cui si potevano usare tali dati per determinare se un pezzo di una struttura reale si fosse rotto sotto un dato carico non era tuttavia ovvio. Molti tecnici avevano notato che la posizione del supporto e il carico potevano modificare le resistenze standard di rottura. 

La scienza poteva determinare la stabilità di una struttura ideale, e il tecnico poteva determinare gli sforzi sperimentali dei materiali usati nella struttura, ma nessun approccio poteva predire con precisione come potesse agire il materiale in una struttura reale. Il modello di Rankine di scienza ingegneristica stabilì un modo di mettere in relazione le forze statiche di cui si occupavano gli scienziati con i dati sperimentali dei tecnici. Quando le singole forze che si manifestavano dalla stabilità agivano sul materiale reale della struttura, esse creavano una nuova condizione, diventando distribuite sulla superficie o attraverso tutto il volume del materiale. Queste forze distribuite non potevano necessariamente essere ridotte a un insieme di forze singole.

Rankine, introdusse il concetto di stress (sforzo), che era stato sviluppato dagli scienziati meccanici francesi. Egli fu uno dei primi in Gran Bretagna a definire rigorosamente questo concetto. Diversamente dalle forze semplici che agiscono su un punto, gli sforzi agiscono su tutto il corpo, perché possiedono una dipendenza molto più complessa dalla geometria. A causa della natura dello sforzo, se una forza normale fosse applicata a un corpo, essa si dovrebbe generalmente manifestare non solo come sollecitazioni normali, ma come sforzi tangenziali. Pertanto, l’applicazione di una forza statica a un corpo poteva produrre elementi di tensione, compressione e taglio nel materiale. Solo con il concetto di sforzo i dati sperimentali riguardanti i materiali potevano essere applicati con profitto alle strutture reali.

Per il fisico e ingegnere scozzese la poesia era, accanto al pianoforte, un diversivo da uno stile di vita altrimenti frenetico. Era molto patriottico e le sue opere, come la spiritosa poesia The Three Foot Rule, divennero testi di canzoni, popolari tra coloro che vedevano con astio le idee europee in molti campi. Anche allora, come adesso, le influenze europee su questioni fondamentali come pesi e misure erano considerate non necessarie e sgradite. Rankine volle illustrare la riluttanza britannica ad adottare il sistema metrico decimale dei pesi e delle misure, considerato troppo napoleonico e continentale. Oltre centocinquanta anni dopo, tale riluttanza nazionalista resiste ancora in molti ambienti., e produce catastrofi come la Brexit. 

When I was bound apprentice, and learned to use my hands, 

Folk never talked of measures that came from foreign lands: 

Now I'm a British Workman, too old to go to school; 

So whether the chisel or file I hold, I'll stick to my three-foot rule. 

Some talk of millimetres, and some of kilogrammes, 

And some of decilitres, to measure beer and drams; 

But I'm a British Workman, too old to go to school, 

So by pounds I'll eat, and by quarts I'll drink, and I'll work by my three-foot rule. 

A party of astronomers went measuring the earth, 

And forty million metres they took to be its girth; 

Five hundred million inches, though, go through from pole to pole; 

So let's stick to inches, feet and yards, and the good old three-foot rule. 

Quando ero giovane apprendista e ho imparato a usare le mani, 

la gente non parlava mai di misure venute da territori stranieri: 

ora sono un operaio britannico, troppo vecchio per andare a scuola; 

quindi, se uso lo scalpello o la lima, prendo la mia riga di tre piedi. 

Alcuni parlano di millimetri e alcuni di chilogrammi 

e alcuni dei decilitri, per misurare la birra e i cicchetti; 

ma io sono un operaio inglese, troppo vecchio per andare a scuola, 

quindi, a sterline mangerò, e per quarti berrò, e lavorerò con la mia riga di tre piedi. 

Un partito di astronomi ha misurato la terra, 

e quaranta milioni di metri hanno preso per circonferenza; 

cinquecento milioni di pollici, però, vanno da un polo all'altro; 

quindi atteniamoci a pollici, piedi e iarde e alla buona vecchia riga di tre piedi.