Ingegneria e innovazione tecnica

Il contributo è tratto da Storia della civiltà europea a cura di Umberto Eco, edizione in 75 ebook

Agli inizi dell’età moderna l’ingegneria e la costruzione di macchine ottengono un crescente riconoscimento sociale, reso possibile dall’impiego di “tecnici” al di fuori del sistema delle Arti, in particolare nelle corti. L’ingegnere militare acquista un prestigio sempre maggiore nella seconda metà del Seicento, rivestendo un ruolo di primo piano in molteliplici attività, non solo nell’arte della guerra, ma anche in opere di ingegneria civile, come la bonifica e la costruzione di macchine per estrarre l’acqua dalle miniere. Sperimentazione e controllo empirico guidano la realizzazione di fortificazioni e armi, in particolare la costruizione di cannoni. Gli arsenali sono luoghi si produzione di armi e polvere da sparo e allo stesso tempo di ricerca e sperimentazione. A cominiciare da Venezia, l’importanza dell’innovazione tecnica comincia a essere riconosciuta come fattore di crescita dell’economia: sistemi di patenti e privilegi sono introdotti in vari Paesi per garantire la proprietà intelletuale.

Ingegneria militare e civile

Agli inizi dell’età moderna è difficile definire la figura professionale dell’ingegnere, essendo incerti i confini tra il ruolo dell’ingegnere, dell’architetto e del tecnico (mechanico). È possibile però stabilire alcune caratteristiche del suo lavoro: la costruzione di edifici civili e militari e la realizzazione di qualsiasi tipo di macchina, da quelle di trasporto a quelle di sollevamento, dai congegni a pressione, alle opere di idraulica.

Gli ingegneri, inoltre, svolgono più mansioni: progettano e controllano la realizzazione dell’opera, assumono gli artigiani e la manodopera necessaria a tale realizzazione. Il loro crescente prestigio tra Quattrocento e Cinquecento è legato a organismi amministrativi stabili, nati con lo scopo di provvedere alla creazione di infrastrutture: strade e lavori di idraulica, fortificazioni e costruzione di opere di ingegneria meccanica. La formazione dell’ingegnere avveniva inizialmente nell’ambiente di lavoro, spesso in ambito familiare, una pratica acquisita svolgendo incarichi marginali. Le sue competenze e il suo ruolo si distinguevano difficilmente da quello degli artigiani superiori: è in possesso di sapere empirico, competenze non formalizzate, non organizzate in modo coerente. In Italia già nel XVI secolo, e poi nel resto d’Europa, si ha una progressiva riqualificazione dell’ingegnere, che coniuga competenze pratiche, sperimentali e conoscenze matematiche. Il ricorso alle matematiche e a strumenti di precisione è invece sempre più diffuso tra gli ingegneri del Seicento, che possono così affinare competenze, superare i limiti di un sapere empirico, guidare le varie fasi esecutive in un cantiere, oltre che controllare il corretto uso di materiali e il loro comportamento meccanico. Tra le competenze che gli si richiedono vi è il disegno, la geometria, la meccanica, la costruzione e l’uso di strumenti di precisione. La sua carriera si svolge per lo più in ambito militare e in non poche occasioni l’ingegnere riceve importanti incarichi pubblici. Le nuove esigenze poste dall’artiglieria e dalle fortificazioni a causa dell’introduzione massiccia delle armi da fuoco costituiscono il principale motivo del crescente prestigio dell’ingegnere militare.

Opera degli ingegneri militari, la costruzione delle fortificazioni assume un ruolo startegico: vengono dotate di bastioni angolati, fossati, terrapieni all’interno delle mura, forti staccati, pendii artificiali, per tenere l’artiglieria nemica lontana. Si combinano conoscenze matematiche e pratiche e la progettazione richiede conoscenze di carattere geometrico.

Un manoscritto del sanmarinese Giovanni Domenico Belluzzi (1506-1564), che risale alla metà del XVI secolo, contiene un elenco delle qualità che dovrebbe possedere un ingegnere militare e le divide in “speculative” e “operative”. Qualità speculativa sarebbe la capacità di prevedere e stimare tutte le possibilità che possono verificarsi durante un assedio. Operative sarebbero la matematica, la capacità di usare gli strumenti, di disegnare, di fare stime dei costi, nonché una buona conoscenza delle qualità dei materiali da costruzione. Ma il ruolo dell’ingegnere militare non sembra essere ancora ben definito, tanto è vero che l’autore afferma che “perché sono rari quelli huomini quali sono dotati della speculativa et dell’operativa insieme, io stimo esser cosa conveniente, per voler adurre a perfettione una fortificatione, che il speculativo sia un soldato... L’altro operativo sia un buon Capitano maestro di muratori, qual habbia qualche buon principio dell’architettura”. Questa divisione del lavoro è ancora presente nella seconda metà del XVI secolo. Giulio Savorgnan è tra i primi a unificare nella stessa persona molteplici funzioni: è generale d’artiglieria, ingegnere militare e soprintendente generale delle fortezze al servizio di Venezia.

Figura non comune per la varietà di incarichi ricoperti e le competenze fisico-matematiche, Simone Stevino (1548-1620), ingegnere militare e ispettore delle dighe al servizio di Maurizio di Orange-Nassau, segna l’affermazione dell’ingegnere come figura chiave nelle attività militari ed economiche delle nascenti Province Unite. L’opera dell’olandese Jan Adriaanszoon Leeghwater (1575-1650), cui si deve il prosciugamento del lago di Beemster (da cui è ricavato il primo polder), mostra il crescente prestigio assunto dall’ingegneria idraulica nell’Olanda del Seicento. La tecnologia olandese è subito nota e apprezzata in vari Paesi europei: è trasferita in Inghilterra dall’ingegnere Cornelius Vermuyden, che la applica con successo nel Norfolk, dove è bonificata una superficie paludosa dell’estensione di 124.000 ettari. Vermuyden riceve riconoscimenti ufficiali: lavora al servizio di Carlo I, e gli è conferito il titolo di baronetto.

La Spagna di Filippo II presta particolare attenzione alla formazione degli ingegneri: il sovrano costituisce un’accademia matematica a Madrid, attiva fino al 1625 nel campo dell’ingegneria militare e della navigazione.

Nelle corti italiane operano numerosi ingegneri dotati anche di competenze scientifiche. Un esempio è offerto dal ferrarese Giovan Battista Aleotti al servizio della corte estense, che coniuga competenze tecniche, formazione scientifica e cultura umanistica. Aleotti non è solo insigne architetto, colui che più di altri, dopo Rossetti ha contribuito alla costruzione di Ferrara, ma anche ingegnere idraulico, i cui lavori più significativi sono le bonifiche nel territorio ferrarese e la sistemazione del corso del Reno. È cartografo, si dedica allo studio dell’artiglieria e delle fortificazioni e traduce classici della scienza ellenistica. Il suo ruolo a corte riceve un significativo riconoscimento con la nomina di lettore di matematica nell’ateneo ferrarese.

Alla corte medicea l’inglese Robert Dudley svolge un ruolo di primo piano come ingegnere militare e riceve incarichi di grande rilievo sotto tre granduchi nel campo delle fortificazioni, come sovrintendente agli arsenali di Pisa e di Livorno, come progettista e costruttore di navi. Dudley svolge anche opere di ingegneria idraulica, come il prosciugamento delle paludi tra Pisa e Livorno. È abile cartografo e dà alle stampe l’Arcano del Mare (1646), una summa delle conoscenze dell’epoca nel campo delle scienze navali. Come Stevino, Dudley è un esempio di ingegnere-scienziato in possesso di straordinarie competenze tecnico-scientifiche e allo stesso tempo esercita una considerevole influenza nelle scelte politiche e militari della corte medicea.

Il ruolo dell’ingegnere tenuto in grande considerazione nella Francia di Luigi XIV, come è attestato da Sébastien Le Prestre Vauban, ingegnere militare, che costruisce e rimoderna fortezze di interesse strategico per la Francia. Sono infatti le numerose guerre in cui è impegnata la Francia di Luigi XIV a sancire il ruolo centrale degli ingegneri. Vauban, che proviene da una famiglia della piccola nobiltà impoverita, intraprende con successo la carriera militare, studia matematica e quindi architettura militare con Louis Nicolas de Clerville, noto come cavaliere de Clerville, che era stato nominato da Mazzarino Commissario Generale delle fortificazioni. Vauban è sostenuto da Colbert e riceve un riconoscimento da Luigi XIV con lo nomina ingénieur du roi e di membro onorario della prestigiosa Académie Royale des Sciences. Il corpo degli ingegneri del re era cresciuto di numero e prestigio nel corso del Seicento, passando da 36 nel 1630 a 270 nel 1691. Riferendosi alla fortezza di Neuf Brisach in Alsazia, progettata da Vauban nel 1698, Luigi XIV affermò che “di tutti i diamanti della corona di Francia, il più bello è la fortezza del Reno”. La fortezza di Neuf Brisach è in realtà una città, fortificata, al cui interno vi sono strade disegnate secondo una maglia ortogonale, a partire da una grande piazza quadrata centrale, intorno a cui furono costruiti i più importanti edifici civici. Le torri hanno una forma pentagonale con murature spesse 4 metri alla base e 2,5 metri alla sommità, a due piani, con coperture piatte e aperture per i cannoni a ogni piano. All’interno di ogni torre sorge un magazzino di munizioni centrale circondato da un corridoio voltato, corridoi e scale d’accesso e di fuga.

Costruzione di navi e cannoni

A partire dalla fine del Quattrocento si ha un continuo aumento della domanda di cannoni, dovuta alla formazione degli Stati nazionali, alle loro continue guerre e all’espansione commerciale e coloniale. La costruzione delle armi è un ambito in cui si introducono sperimentazione e controllo empirico e nasce una letteratura specializzata nella costruzione di cannoni. Tra Cinque e Seicento si sviluppa la costruzione dei più costosi cannoni in bronzo fuso (che però non sostituiscono quelli in ferro), si distingue tra artiglieria d’assedio e artiglieria da campagna e si cerca di migliorare la mobilità dei cannoni. Dal XVI secolo i fonditori elaborano molteplici tecniche per stabilizzare il cannone sull’affusto, per risolvere il problema del rinculo e per consentire maggiore precisione nella mira e nel lancio. La sperimentazione si applica anche alla produzione della polvere da sparo, si ha inoltre la produzione di un cannone più lungo, che migliora la traiettoria del proiettile. I cannoni della stessa categoria hanno lo stesso calibro, le stesse palle di cannone, lo stesso diametro. Prima di lasciare la fonderia, ogni canna di cannone deve superare prove di alesatura. Le innovazioni principali (tra fine Cinquecento e Seicento) sono appannaggio delle potenze emergenti, hanno luogo nella Svezia di Gustavo II Adolfo (soprattutto durante la guerra dei Trent’anni), in Inghilterra e in Olanda. Il processo di unificazione e semplificazione nella costruzione di armi prosegue nel corso del XVII secolo, fino ad arrivare a solo quattro calibri. Nei Paesi Bassi del Nord si producono armamenti di straordinaria semplicità e uniformità.

L’arsenale è tra i principali luoghi di produzione, innovazione e conoscenza, al suo interno si fa uso di strumenti di precisione e si svolgono indagini sperimentali. Tra Cinquecento e Seicento vi si fabbrica l’equipaggiamento militare, si eseguono esperimenti di balistica, si addestrano artiglieri, si progettano fortificazioni. L’arsenale di Venezia è anche cantiere navale, luogo in cui sono ideate, costruite ed equipaggiate navi. Vi lavorano centinaia di artigiani, detti arsenalotti, operai specializzati nella costruzione di navi, produzione di funi e cavi, armi e polvere da sparo. A Venezia un collegio di magistarti vigila sulla produzione di armi da guerra e garantisce la segretezza. Negli arsenali dell’impero si sviluppa nel XVI secolo un sistema di collaudo delle armi da fuoco, si introducono misurazioni di precisione e controllo dei materiali e metodi di lavorazione. A Norimberga nel 1540 è inventato un righello che serve a definire una scala dei calibri e dei pesi dei corrispondenti proiettili in pietra, ferro, piombo.

In Inghilterra l’Ufficio dell’artigliera fornisce polvere pirica e cannoni all’esercito e alla marina; dal 1667 assume anche il ruolo di costruzione e manutenzione di tutti i forti del regno e presiede all’addestramento degli artiglieri – cui è richiesto un buon grado di preparazione matematica e meccanica.

Richelieu e Colbert fanno della Francia una potenza navale. Si potenziano gli arsenali di Brest, Rochefrt e Tolone e (intorno al 1680) è costruito un arsenale navale a Marsiglia, con un parco di artiglieria di 2000 cannoni. Da impresa privata, la costruzione delle navi francesi diviene, con Colbert, competenza dello Stato.

Il controllo delle acque

Benedetto Castelli

Della misura dell’acque correnti

Da quanto si è dimostrato si puo ancora facilmente risolvere la difficultà, che ha travagliato, e travaglia tuttavia i più diligenti, mà poco avveduti osservatori de fiumi, i quali misurando i Fiumi, e Torrenti, che entrano in un altro fiume, come sarebbe quelli, che entrano in Pò, overo quelli, che entrano in Tevere, ed havendo raccolte le somme di queste misure, e conferendo le misure dei Fiumi, e Torrenti, che entrano nel Tevere con la misura del Tevere, e le misure di quelli, che entrano in Pò, con la misura del Pò, non le ritrovano eguali, come pare à loro, che debbino essere, e questo perche non hanno mai avvertito bene al punto importantissimo d(e)lla variazione della velocità, e come sia, potentissima cagione ad alterare meravigliosamente le misure dell’acque correnti: ma noi risolvendo facilissimamente il dubbio, possiamo dire, che queste acque scemano la misura entrate che sono nel fiume principale, perche crescono di velocità.

Benedetto Castelli, Della misura dell’acque correnti, Roma, 1628

L’idraulica o scienza delle acque si sviluppa innanzitutto per far fronte a problemi relativi al corso dei fiumi, all’approvvigionamento idrico e alla costruzione di fontane nelle ville rinascimentali, nonché alle opere di bonifica. Il controllo delle acque, che ha evidenti risvolti economici e politici, ha carattere eminentemente pratico e sperimentale. Indagini di tipo matematico cominciano a diffondersi nel corso del XVII secolo, ma molto lentamente. L’Italia del centro-nord, con i suoi fiumi e torrenti e aree paludose da prosciugare, costituisce un laboratorio privilegiato per le tecniche idrauliche. Non meno importante è la ricerca volta a migliorare lo sfruttamento dell’energia idraulica per l’industria molitoria. Negli Stati padani e a Venezia sono create magistrature preposte al governo delle acque e, già dal Quattrocento, si formano consorzi di bonifica tra proprietari terrieri. Mentre nei Paesi Bassi le bonifiche sono condotte con il drenaggio realizzato a mezzo dei mulini a vento, in Italia si utilizza soprattutto il sistema di canalizzazione. A Milano, Francesco Sforza avvia dal 1450 opere di bonifica e la costruzione di nuovi canali. A Venezia il problema delle acque favorisce lo sviluppo dell’idraulica e gli ingegneri assumono importanti funzioni pubbliche e si elaborano vari progetti per la laguna. La scelta che si afferma è di intervenire sul corso dei fiumi, deviandoli con canalizzazioni al di fuori dall’area lagunare.

Macchine e pompe per il sollevamento dell’acqua sono impiegate nelle miniere e più in generale in opere di drenaggio e bonifica. È in questo ambito che si rende necessaria la costruzione di macchine dotate di sempre maggior potenza. Alla fine del 1600 l’estrazione dei minerali nelle miniere inglesi è sempre più difficile, poiché scavare pozzi più profondi rende necessario estrarre grandi quantità d’acqua che invade le gallerie. Ma con i sistemi tradizionali non si riesce più a prosciugarle. L’ingegnere militare Thomas Savery è il primo a tentare di risolvere questo problema usando la forza del vapore. La sua macchina, che può essere ritenuta uno sviluppo della air-pump di Boyle e della rudimentale macchina a vapore di Denis Papin, obbliga l’acqua a salire in un cilindro entro il quale è stato prodotto il vuoto mediante la condensazione del vapore. L’acqua della miniera è poi spinta ancora più in alto ed espulsa mediante un violento getto di vapore. La prima pompa a vapore di Savery è costituita da due cilindri, uno dei quali si riempie mentre l’altro si svuota. Nel 1698 a Savery è concesso il brevetto per la sua macchina chiamata l’“amico del minatore” capace di “estrarre l’acqua per mezzo del fuoco” e per qualsiasi altra macchina che prevedesse l’uso del fuoco.

Nella realizzazione di opere di idraulica vengono in una prima fase utilizzate conoscenze empiriche e successivamente sono introdotte indagini di tipo quantitativo: il controllo dei corsi d’acqua è messo in connessione allo studio della loro portata, alla corrosione degli argini e all’alterazione degli alvei. A un approccio pratico ai problemi di idraulica si comincia ad affiancare un’indagine di tipo teorico e matematico. Leonardo è tra i primi a introdurre nello studio delle acque la considerazione della velocità, che a suo avviso è inversamente proporzionale alla sezione del canale, e mette a frutto, pur senza averne una comprensione teorica, il principio dei vasi comunicanti. Dopo Leonardo, vari ingegneri attivi nelle corti intraprendono ricerche di idrologia di tipo sperimentale e matematico. Ne è un esempio il già citato ferrarese Giovan Battista Aleotti, che lavora alla bonifica del territorio ferrarese e alla sistemazione del corso del Reno. Figura pioneristica nello studio quantitativo delle acque è Benedetto Castelli, professore di matematica a Pisa e a Roma e corrispondente di Galileo. Il suo Della misura dell’acque correnti (1628) è uno dei primi trattati basati su un’indagine matematica dei fenomeni idraulici. Castelli persegue lo scopo di determinare la quantità di acqua che passa attraverso una specifica sezione trasversale del corso d’acqua nell’unità di tempo, che oggi chiamiamo portata. Castelli formula un’importante generalizzazione circa la velocità della acque correnti: “la velocità delle acque correnti diminuisce col crescere della sezione nella quale esse acque defluiscono e tutto ciò, congiunto colla minore pendenza del fondo, è la causa per la quale un fiume è più largo che profondo”.

Innovazione e trasferimento delle conoscenze tecniche

Agli inizi dell’età moderna le innovazione tecnologiche si diffondono in numerosi ambiti: costruzione di macchine e di strumenti di precisione (in particolare orologi), costruzione di navi e armi da fuoco, cartografia, pompe idrauliche per estrarre l’acqua, tecniche di estrazione dei metalli, forni per raggiungere temperature più alte, necessarie alla lavorazione del ferro, produzione e lavorazione del vetro e delle lenti. Si moltiplicano inoltre tentativi di produrre la porcellana a imitazione di quella dell’Estremo Oriente, finché l’alchimista tedesco Johann Friedrich Böttger (1682-1719) scopre un’argilla bianca infusibile alla quale si lascia il nome orientale di caolino. Si può così iniziare a produrre dal 1708 una vera e propria porcellana dura simile a quella cinese per trasparenza e lucentezza. Non mancano invenzioni finalizzate alla navigazione subacquea, come il sottomarino dell’olandese Cornelis Drebbel, costruito nel 1620 e sperimentato nel Tamigi alla presenza di Giacomo I. Il sottomarino di Drebbel ha successo e riesce a trasportare 16 persone da Westminster a Greenwich.

Potrebbe sembrare che il fiorire di innovazioni tecniche e di invenzioni abbia avuto luogo in assenza di un valido sistema di controllo e protezione della proprietà intellettuale. Questo non è del tutto vero. Certamente i casi di imitazione sono frequenti e incerte le forme di tutela per gli inventori. Tuttavia già nel XV secolo si comincia a regolamentare il sistema dei privilegi a Venezia, dove il potere delle corporazioni è minore. I primi privelegi concessi dalla Repubblica veneziana riguardano le miniere e i mulini per macinare e follare (nel XV secolo). Il privilegio consiste nel monopolio e l’esenzione fiscale, nonché in una multa per coloro che infrangessero il monopolio concesso. Nel 1469 una patente è concessa a uno stampatore tedesco per introdurre l’arte della stampa a Venezia. Con tale privilegio si stabilisce che nessuno può esercitare quest’arte per cinque anni e non si possono introdurre libri stampati al di fuori della Repubblica. Nel 1501 è rilasciato ad Aldo Manuzio, la patente per il carattere “cancelleresco”.

Nel corso del Cinquecento si ha una diffusione europea del sistema di protezione della proprietà intellettuale. In Francia, tal Theseo Mutio, italiano, ottiene il privilegio di introdurre la manifattura del vetro alla veneziana sul territorio francese (1551). Il re gli concede la protezione per dieci anni, ridotti poi a cinque. Il sistema delle patenti si estende ai Paesi Bassi del Nord e agli Stati tedeschi.

In Inghilterra, nell’età Tudor, la Corona prende accordi con artigiani stranieri, come vetrai veneziani, armaioli tedeschi e fabbri francesi. Con Elisabetta I (1533-1603) viene avviato un primo sistema di patenti: i privilegi sono di sola competenza della Corona, che ne dispone e regola eventuali dispute sulla proprietà intellettuale. Il fine principale delle patenti inglesi è in realtà quello di garantire alla Corona introiti da chi riceve il privilegio, che a sua volta ha la possibilità di arricchirsi grazie alla propria invenzione. È un sistema con poca trasparenza, usato per ricompensare i servitori più fedeli, non per favorire l’innovazione. Il sistema delle patenti si diffonde nella seconda metà del XVI secolo, col risultato che molti beni di prima necessità sono controllati da detentori di monopoli, spesso servitori e cortigiani. I monopoli coprono il commercio del sale, dell’aceto, del ferro, provocando forti proteste. Nel 1624 è promulgato dal Parlamento lo Statute of Monopolies, che avrebbe dovuto regolare la materia abolendo il vecchio sistema, ma in realtà, non produce alcun effetto. Carlo I li reintroduce al fine di ottenere risorse finanziarie per la Corona, così la loro abolizione diviene parte delle richieste dei sostenitori del Parlamento. Durante l’interregno vi è un diffuso rifiuto del sistema monopolistico: le corporazioni, come quella degli orologiai, contestano le patenti, ritenute incompatibili con un sistema tecnico caratterizzato da lenti e piccoli miglioramenti, mentre tra i puritani si diffonde la richiesta di dare libera diffusione delle innovazioni tecnologiche. Nell’Inghilterra del Seicento poche patenti sono riferite a invenzioni tecniche, ancora moltissime servono a gratificare il proponente.

In Francia il sistema dei privilèges è introdotto nel Cinquecento: l’inventore deve dimostrare che la sua craezione non è già presente sul territorio francese e deve presentare un modello in scala della macchina. Fino alla metà del Seicento patenti sono richieste soprattutto da stranieri o da imprenditori locali che intendono importare tecnologie straniere. Con Luigi XIV si moltiplicano i privilegi concessi ai Francesi e la concessione è una prerogativa reale. Il Parlement di Parigi è responsabile delle registrazioni: esso nomina un esperto per studiare il progetto, nonché una commissione di notabili e persone influenti nei commerci e nelle arti, per stabilirne la realizzabilità, l’utilità e i vantaggi. Successivamente (verso la fine del XVII secolo) il Parlement è affiancato da l’Académie Royale des Sciences, che acquista un potere crescente nella concessione di privilegi reali. L’accademia richiede all’inventore una descrizione del progetto, un disegno e un modello in scala. Il privilegio, se accordato, deve essere depositato presso l’accademia, dove è anche custodito il progetto.