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Curve e meccanismi
F. Conti
(dal catalogo della mostra)
Cosa è un meccanismo?
Il problema del moto rettilineo senza parti striscianti
Il meccanismo di Watt
Il meccanismo di Tchebycheff
L'inversore di Peaucellier
Il biellismo di Hart
Curve, biellismi e profili
Il quadrilatero articolato e alcune applicazioni
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L'inversore di Peaucellier
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La soluzione esatta del problema del moto rettilineo fu trovata nel 1864
da Peaucellier e, pubblicata come lettera sulla rivista Nouvelles Annales de
Mathématiques, essa passò quasi inosservata. Nel 1871 Lipkin indipendentemente
trovava la stessa soluzione e grandi onori gli venivano tributati dal governo russo per la
presunta originalità della sua invenzione. Seppur tardivamente anche il merito di
Peaucellier fu riconosciuto ed egli venne insignito di un importante premio dell'Istituto
di Francia, il premio Montyon. Per completare il quadro di questa scoperta occorre
ricordare che una soluzione tridimensionale era già stata descritta da Sarrus nel 1853.
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Ma veniamo a descrivere la scoperta di Peaucellier. Il suo meccanismo è
costituito da sette aste incernierate. Quattro di esse della stessa lunghezza formano un
rombo, due più lunghe sono incernierate a due vertici opposti del rombo e fra loro in un
punto fisso O. L'apparato ora descritto è noto come cella
di Peaucellier ed ha la notevole proprietà che i punti P e Q si corrispondono in una
inversione circolare di centro O, cioè le distanze OP, OQ sono tali che OP · OQ =
costante.
Una proprietà dell'inversione circolare, di facile dimostrazione per
chi ha un minimo di pratica con la geometria euclidea, è che i cerchi passanti per il
centro di inversione (nel nostro caso il punto O) vengono mandati in rette. Ciò spiega il
funzionamento del meccanismo di Peaucellier: se si aggiunge una settima asta che impone a
P di descrivere un cerchio passante per O allora il punto Q descriverà una retta. Una
retta vera, non una sua approssimazione.
La cella di Peaucellier si può ottenere dai due quadrilateri articolati
che appaiono nella figura a lato, cui la tradizione ha dato i nomi di aquilone
e dardo, sovrapponendoli ed identificando le due aste più lunghe. Se la stessa
operazione si esegue identificando le aste più corte otteniamo il meccanismo della figura successiva.
In questo caso si ha OQ · PQ = costante e se si
costringe Q a descrivere un cerchio passante per O allora il punto P si muoverà in linea
retta.
"In questa forma, che è molto compatta, il meccanismo è stato
applicato con successo alle macchine usate per ventilare le Houses of Parliament [di
Londra]. La scorrevolezza del funzionamento dovuta all'assenza di rumore e di frizione è
veramente notevole. Le macchine furono costruite sulla base dell'apparato di Peaucellier
da Mr. Prim, ingegnere della Casa del Parlamento, alla cui cortesia debbo la possibilità
di averle viste: vi assicuro che esse meritano una visita", così scriveva nel 1877
il matematico inglese Kempe nel suo interessante libretto How to draw a straight line
[Come tirare una linea retta]. Purtroppo tali macchine di ventilazione sono andate
distrutte e non è stato possibile rintracciare alcuna documentazione.
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Una interessante applicazione della cella di Peaucellier si trova negli ingranditori fotografici autofocalizzanti. Se consideriamo una lente
con distanza focale f, fuochi F1, F2, se d1, d2,
sono le distanze dalla lente della figura da ingrandire e della figura ingrandita, si deve
avere:
1/d1 + 1/d2 = 1/f
che equivale a:
(d1-f) (d2-f) = f2
Questa equazione rappresenta una inversione fra i due segmenti di
lunghezza d1-f e d2-f e deve essere rispettata qualunque sia
l'altezza della lente, se si vuole che l'immagine proiettata sia sempre a fuoco. Si
possono allora montare la lente e il portanegativo su un supporto verticale perpendicolare
al piano sul quale viene proiettata la figura. L'allineamento tra i punti O, A, B è
allora assicurato e quindi è sufficiente, per garantire l'inversione, una metà del
meccanismo di Peaucellier composta da due aste OH e BH di lunghezza eguale incernierate
nel punto comune H con un'asta AH. Il punto fisso O è posto a distanza f sopra il piano
dove si forma l'immagine, mentre il punto B è reso solidale a un piano portanegativo
disposto a distanza f sopra il punto B stesso. La condizione di cui sopra è verificata se
si dimensionano le aste in modo che sia OH2-AH2 = f2.
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Un'ultima curiosità, quasi insignificante per noi che stiamo parlando
di meccanismi ma importante in altri contesti, nel 1964 il fisico inglese Penrose trovò
che per determinate lunghezze dei lati le configurazioni aquilone e dardo della figura 7
con cui è costruito il meccanismo di Peaucellier possono costituire un ricoprimento del
piano non periodico, cioè che non viene trasformato in sé da nessun movimento rigido del
piano.
Lo studio di questi ricoprimenti ha trovato applicazione nella teoria
dei quasi-cristalli.
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