La ruota e la sua evoluzione
Ah, la ruota. Così semplice, cosi efficace. Un pilastro della tecnologia umana.
Sarà stata una delle prime invenzioni della storia, no?
L’invenzione della ruota
In realtà la ruota fu inventata “solo” tra il 4.500 a.C. e il 3.300 a.C, circa in concomitanza con l’invenzione della scrittura [1], 3.000 anni dopo la birra [2], 5.000 anni dopo l’agricoltura [3] e 20.000 anni dopo la ceramica [4]. A differenza di altri tipi di locomozione, il trasporto su ruota è praticamente assente nel mondo animale, quindi non dobbiamo sottovalutare lo sforzo mentale compiuto dallo sconosciuto inventore di questa tecnologia rivoluzionaria.
A testimonianza di questa difficoltà, la ruota sembra essere stata inventata solo una volta (i luoghi di invenzione più probabili sono Ucraina o Mesopotamia [5]) e in seguito si diffuse in tutta l’Eurasia. Al contrario, la scrittura fu inventata indipendentemente da almeno 4 popoli [1].
Ruote giocattolo
Civiltà sofisticate come gli Aztechi e gli Incas non usarono mai la ruota come mezzo di locomozione, data l’assenza di grandi animali da traino nelle Americhe prima della colonizzazione europea. Ironicamente, però, alcune civiltà americane incorporarono la ruota in giocattoli per bambini, che rappresentavano animali con ruote al posto delle zampe [6]. Anche in Polinesia, il trasporto su ruota fu inesistente fino all’arrivo degli Europei, sebbene i popoli polinesiani riuscirono a raggiungere praticamente tutte le isole del Pacifico a bordo di canoe.
Quali sono alcune delle pietre miliari dell’evoluzione tecnologica della ruota?
1) L’asse della ruota (4° millennio a.C.)
Le prime ruote della storia erano semplicemente dei dischi di pietra o di legno. Ci puoi far scivolare cose sopra, ma le puoi usare per trainare dei carichi con cavalli, buoi o malcapitati schiavi. Il trucco è fare un buco in mezzo a due ruote e farci passare in mezzo un cilindro orizzontale (“asse”). Come sappiamo dalla nostra esperienza pratica, trasportare un carico usando la combinazione asse-ruota è molto più facile che trascinarlo per strisciamento.
L’attrito
Perchè? La forza di attrito, che rende faticoso il trasporto di carichi, dipende dalla superficie di contatto tra i corpi che si muovono l’uno rispetto all’altro. Se trasciniamo uno scatolone cubico, la forza di attrito è proporzionale alla superficie di una faccia del cubo (quella che è in contatto con il terreno).
Se mettiamo lo scatolone su un carro a quattro ruote, la forza di attrito sarà proporzionale alla superficie di contatto tra ruota e asse (molto minore della superficie del nostro scatolone), quindi il trasporto diventerà un gioco da ragazzi.
Progettare un’asse
Da un lato, il diametro dell’asse deve essere il minore possibile per minimizzare la superficie di contatto e dunque l’attrito; dall’altro, deve anche essere sufficientemente spesso per non spezzarsi sotto il peso del carico.
Inoltre, non è solo l’area di contatto che determina l’attrito, ma anche i tipi di materiali che sono in contatto. Spingere uno scatolone su una pista di pattinaggio è molto più facile che farlo su una strada sterrata! Insomma, il progetto della combinazione ruota-asse è un problema ingegneristico piuttosto interessante.
2) Ruota a raggi (2.000 a.C. circa)
Una ruota di bronzo a “blocco unico” di 1 m di diametro e 20 cm di spessore pesa più di una tonnellata!! Non dobbiamo, dunque, stupirci che, prima o poi, qualche genietto doveva inventare i raggi, apparsi per la prima volta nelle steppe dell’Asia centrale [7]. L’invenzione dei raggi permise di ridurre la ruota da un disco a un anello, riducendo notevolmente il suo peso e, nel contempo, preservando la sua resistenza ai carichi.
Mamma che tensione
Dal punto di vista ingegneristico, il design dei raggi rimase sostanzialmente invariato fino alla fine del XIX secolo, quando fecero comparsa i raggi in tensione, ancora oggi utilizzati nelle biciclette. L’uso di sottili raggi di metallo in tensione permise un ulteriore riduzione del peso delle ruote [8]. L’astuzia del mettere i raggi in tensione sta nel fatto che, quando prendiamo una buca pedalando, un raggio non in tensione si comprime e, inevitabilmente, si deforma. Un raggio in tensione, invece, perde (temporaneamente) parte della sua tensione durante l’impatto e si avvicina alla sua lunghezza originale senza deformarsi. Dopo l’impatto, il raggio ritorna alla sua tensione originale, evitando deformazioni permanenti della ruota.
3) Ruota e pneumatici (1870-1890)
Avete mai visto un inseguimento in carrozza in un film ambientato nell’Europa medievale o comunque prima del XIX secolo? Magari in un bosco o su una strada dissestata?
Guardando le ruote di quelle carrozze, mi sono sempre chiesto: “che cosa mai non potrà andare storto?”. All’umano moderno sembra impossibile che quelle ruote sottilissime e senza gomma possano sopravvivere più di un paio di chilometri e come fanno i passeggeri a non rompersi l’osso del collo a ogni buca?
La geniale soluzione fu l’invenzione degli pneumatici. Il primo brevetto apparve nel 1847, firmato dallo scozzese Robert William Thomson. Il brevetto è disponibile online [9] e ne presentiamo un’antemprima nell’immagine qui sotto. Fun fact: Thomson fu anche l’inventore della penna stilografica!
Il figlio di Mr. Dunlop e il suo triciclo
Sfortunatamente per Thomson, il suo brevetto non se lo filò nessuno e dobbiamo aspettare fino al 1888, anno in cui un veterinario irlandese di nome John Boyd Dunlop (il cognome vi ricorda qualcosa?) usò il concetto dello pneumatico nella pratica. Sorprendentemente, il bisogno che stimolò l’invenzione dello pneumatico fu un semplice problema familiare.
Il figlio di Dunlop, infatti, si divertiva a pedalare in cortile sul suo triciclo. Come abbiamo già notato, le ruote nel mondo pre-gomma non promettono nulla di buono per la salute dei loro passeggeri. Inesorabilmente, la passione del bambino si tradusse in mal di testa cronici, dovuti ai terreni dissestati su cui pedalava. Ebbene sì: alleviare le emicranie del pargolo fu il bisogno dietro all’invenzione della combinazione gomma-camera d’aria!
Ti piace vincere facile?
Dunlop sviluppò un primo prototipo di gomme e il bambino ricominciò a pedalare felice grazie al loro effetto ammortizzante [10]. Dunlop ribrevettò lo pneumatico e iniziò a montarlo sulle biciclette per adulti. Willie Hume fu il primo ciclista agonistico a gareggiare con una bicicletta dotata di gomme. Per la serie “ti piace vincere facile”, Hume vinse tutte le gare ciclistiche del 1889, il che convinse un ricco imprenditore a investire nella tecnologia [11]. In tempi brevi, l’azienda Dunlop cominciò a vendere pneumatici in tutto il mondo.
Il boom della gomma in Amazzonia
Ovviamente, la domanda di gomma esplose alla fine del XIX secolo, in seguito a questa innovazione. L’albero della gomma è nativo delle Americhe e, inizialmente, la produzione di gomma fu limitata all’Amazzonia. Nel cuore del boom della gomma, ricchezze enormi invasero la città di Manaus, situata in mezzo alla foresta amazzonica.
Manaus fu elettrificata prima di molte metropoli europee, si dotò della prima università del Brasile e costruì uno sfarzoso teatro con marmo, vetro e cristalli importati dall’Europa. “Quando un barone della gomma comprava un grande yacht, un altro metteva un leone addomesticato nella sua villa, e un altro ancora lavava il suo cavallo nello champagne” [12]. Purtroppo, il boom della gomma comportò lo sfruttamento indiscriminato degli indigeni dell’Amazzonia e la morte di decine di migliaia di essi[13].
[1] https://www.bl.uk/history-of-writing/articles/where-did-writing-begin
[2] https://www.ancient.eu/article/223/beer-in-the-ancient-world/
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Neolithic_Revolution
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Pottery#Early_pottery
[5] https://www.livescience.com/18808-invention-wheel.html
[6] J. Diamond, Guns, Germs, and Steel, W. W. Norton, 1997
[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Spoke#History
[8] https://www.dougbarnesauthor.com/2016/12/a-short-history-of-bicycle-wheel.html
[9] https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/002065405/publication/US5104A?q=pn%3DUS5104
[10] https://en.wikipedia.org/wiki/Tire#History
[12] Robin Furneaux. The Amazon: the Story of a Great River. London: Hamish Hamilton, 1969
[13] https://en.wikipedia.org/wiki/Amazon_rubber_boom
PhD in scienza dei materiali alla Technical University of Denmark e attualmente ricercatore negli USA. Mi occupo della scoperta e prototyping di nuovi materiali per energie rinnovabili.
