Ingegneria

INGEGNERIA

Tecnologia

Nel suo significato più profondo l'ingegneria si differenzia dalla tecnica perché si prefigge lo scopo di soddisfare i bisogni dell'uomo in quanto appartenente a una collettività, mentre la tecnica non va al di là della propria funzione specifica, del proprio scopo particolare; inoltre nell'opera di ingegneria è tuttora determinante l'elemento umano, l'armonizzarsi in chi l'esercita di conoscenze e doti di origine e aspetto assai diversi. All'attuale tendenza alla specializzazione si contrappone il nascere e lo svilupparsi di nuovi settori dell'ingegneria fra i quali l'ingegneria dei sistemi e la bionica. La storia dell'ingegneria non ha avuto però origine dall'impostazione prima accennata; infatti, i precursori degli ingegneri moderni dirigevano solo lavori di costruzione: fra questi va ricordato l'egiziano Imhotep, primo ministro del faraone Zoser, che diresse i lavori per la costruzione della piramide a gradini di Saqqarah. Oltre alla costruzione delle piramidi, nella storia egiziana si ricorda anche la prima costruzione idraulica, diretta da un certo Uni, nel 2500 a.C., consistente nell'apertura di un passaggio per i battelli presso la prima cateratta del Nilo. L'ingegneria militare nacque invece in Assiria, attorno al 1000 a.C., dove vennero elaborate e perfezionate le tecniche costruttive delle cinte di fortificazione e inventati gli arieti dirompenti, prime macchine belliche. In Grecia il progresso della fisica e delle applicazioni tecniche a essa relative fu alla base del successivo sviluppo dell'ingegneria. Una figura relativamente completa di "progettista e direttore dei lavori" fu l'architékton greco (ricordiamo Mnesicle e Ictino), il quale aveva nozioni di agrimensura, meccanica e costruzioni in genere. In Grecia fu costruito il primo ponte (Samo); Ippodamo di Mileto può essere considerato il fondatore dell'urbanistica; Archimede elaborò le prime applicazioni dell'idrostatica, ed Erone i procedimenti di livellazione, il tracciamento di gallerie, la misura dei terreni. In Roma, prima della fine della repubblica, non ci furono direttori dei lavori: gli agrimensores, i libratores, i mensores e i viarum curatores (agrimensori, geometri e soprintendenti alle strade) dipendevano direttamente dai "burocrati" statali di allora. In seguito si affermò la figura dell'architectus con funzioni direttive, il quale, secondo Vitruvio, doveva avere nozioni di astronomia, storia, giurisprudenza, filosofia, che allora comprendeva anche la matematica e le scienze in genere, con un giusto equilibrio fra nozioni teoriche e pratiche. L'importanza della cultura romana nella storia dell'ingegneria è legata essenzialmente alla progettazione e realizzazione di strade, porti, acquedotti, gallerie. Dalle opere romane traspare una solida conoscenza dei princìpi della statica, mentre risulta che non fossero conosciuti i princìpi dell'idrodinamica, come la relazione fra velocità e salto. L'alto medioevo interessa più la storia dell'architettura in senso stretto che la storia dell'ingegneria, a parte la costruzione di fortezze e di cinte di fortificazione. Un nuovo progresso della tecnologia si ebbe verso il 1100: vennero costruiti nuovi molini ad acqua (di cui troviamo i primi documenti in un libro inglese del 1086) e molini a vento (per i quali il primo documento è del 1270) usati per azionare macine da grano, segatrici e, più tardi, i primi filatoi. In Italia, vennero realizzati i primi canali in pendenza e pare di origine italiana anche un'opera idraulica, la conca, descritta da Leon Battista Alberti nel De re aedificatoria.

Col Rinascimento italiano ha origine la figura tipica dell'artista-architetto- ingegnere: esempi furono il Brunelleschi e Andrea Palladio, al quale dobbiamo, sembra, la prima travatura reticolare, utilizzata per un ponte sul Cismon. Un posto a sé ha Leonardo da Vinci che ci ha lasciato più di 5.000 pagine di preziosi appunti riferentisi a gran parte dei campi dell'ingegneria. In questo periodo sorse l'industria libraria e si ebbero progressi nella metallurgia e, soprattutto, un forte sviluppo dell'idraulica; i pionieri in questo ultimo campo furono gli Olandesi, benché le maggiori realizzazioni si siano avute in Italia e in Francia. In Francia, soprattutto, la situazione orografica, con i grandi fiumi irradiantisi dal centro del paese, favorì lo studio dei canali per irrigazione e navigazione interna, quello della costruzione dei ponti, e quello del rifornimento idrico di Parigi, risolto dal fiammingo Jan Lintlaer, attorno al 1400, il quale impiantò, sotto un'arcata del Pont-Neuf, una ruota idraulica che azionava due pompe. (In realtà una buona parte dell'acqua serviva a innaffiare i giardini delle Tuileries.) Il diciottesimo secolo, per l'ingegneria francese, fu importante sotto molti aspetti: nel 1716 venne istituito il "Corps des Ponts et Chaussées" che sancì la definitiva separazione tra la figura dell'architetto e quella dell'ingegnere. Fra questi ultimi vanno ricordati: Jacques Gabriel (1667-1742), primo ingegnere capo del Corps des Ponts et Chaussées; Henri Pitot (1695-1771, inventore del tubo omonimo), che costruì canali e acquedotti e fu il primo ad applicare il teorema di Torricelli alla misura delle portate; Antoine de Chézy, che elaborò una formula ancor oggi utilizzata in idraulica; Charles-Augustin de Coulomb, che risolse problemi del comportamento statico delle strutture; Louis Marie Henri Navier (1785-1836), che elaborò la prima teoria della flessione; Adhémar Barré de Saint- Venant (1797-1886), autore di fondamentali ricerche sulla teoria dell'elasticità. Con questi ultimi scienziati-ingegneri si passò definitivamente dalla tecnica alla scienza delle costruzioni.

Nello stesso periodo l'ingegneria inglese progredì in direzioni in parte comuni, in parte ben distinte da quelle francesi. In Inghilterra la figura dell'architetto fu sempre ben distinta da quella dell'ingegnere costruttore, il quale a sua volta fu raramente un teorico, uno scienziato: salvo rare eccezioni i grandi ingegneri non furono membri della Royal Society, fondata nel 1660 per il progresso delle scienze. L'ingegneria inglese si occupò di ponti, canali, impianti idrici (l'ingegneria civile deve la sua denominazione a John Smeaton [1724-1792], costruttore del faro di Eddystone), ma soprattutto di meccanica e metallurgia. Nel campo tessile l'antico telaio fu sostanzialmente migliorato con l'introduzione della navetta volante; nel 1770 fu costruito il primo filatoio semimeccanico per il cotone, e nel 1785 il primo telaio meccanico. La siderurgia passò dallo stadio artigianale a quello industriale: Abraham Darby (1677-1717), John Wilkinson (1728-1808), Henry Cort (1740-1800) introdussero l'elaborazione della ghisa con altiforni alimentati a coke, ottenuto dalla distillazione del carbone fossile; dalla ghisa si ricavò il ferro per puddellaggio. Thomas Savery e Thomas Newcomen idearono pompe azionate dal vapore prodotto dall'acqua riscaldata mediante la combustione di carbone fossile; James Watt inventò la motrice a vapore a bassa pressione con condensatore; nel 1782 Jonathan Carter Hornblower realizzò la motrice a vapore policilindrica; per merito di Henry Maudslay (1771-1831) e di Samuel Bentham (1757-1830), la tecnologia meccanica assunse la forma che tuttora mantiene nella piccola officina: vennero ideate varie macchine operatrici e fu sperimentato il principio della lavorazione a catena, adottato per la prima volta da Maudslay, Bentham e Marc Brunel per la fabbricazione di un paranco.

Il XIX sec. fu anche il secolo della ferrovia, nata in Inghilterra per merito di Richard Trevithick, di John Blenkinsop, ma soprattutto di George Stephenson (v. FERROVIA , LOCOMOTIVA ). Vanno ricordati anche altri successi dell'ingegneria inglese: la metropolitana di Londra, realizzata tra il 1860 e il 1898, la galleria sotto il Tamigi (1825-1843), la diga di Assuan in Egitto (1898-1902), i ponti in ferro.

Nel campo siderurgico sono pure di questo secolo i processi Bessemer e Thomas di conversione dell'acciaio e, fra il 1856 e il 1861, il processo di conversione noto come processo Martin- Siemens. In Francia Gustave Eiffel fu uno dei pionieri nell'uso dell'acciaio per le strutture metalliche: la torre Eiffel, eretta nel 1889, resta la più nota costruzione dell'epoca. In Italia vennero eseguiti i grandi trafori montani del Moncenisio (1852-1871) e del Sempione (1898-1905); in Egitto venne aperto nel 1869 il canale di Suez.

Sempre nel XIX sec. sorse l'ingegneria americana che in meno di due secoli ha percorso tutto il cammino necessario per raggiungere e superare il livello tecnico europeo; il ritmo del progresso tecnologico negli USA è cresciuto, nella seconda metà del XX sec., sotto lo stimolo del sorgere e dell'affermarsi dell'ingegneria sovietica. All'inizio dell'Ottocento il massimo problema tecnico americano fu quello dei trasporti: tra le opere ingegneresche vanno quindi ricordati i ponti, i canali, le ferrovie. Per qualche decennio furono adottati ponti sospesi a catenaria; poi le necessità dei carichi ferroviari imposero altre soluzioni; vennero perfezionati i ponti a travatura e i ponti a sbalzo, come quello inaugurato nel 1892 a Memphis, e che fu realizzato in struttura di acciaio Martin-Siemens. Nel campo della costruzione dei canali va ricordato il canale che unisce l'Hudson al lago Erie, realizzato nel 1825. La prima ferrovia americana è la Charleston-Hamburg (1831). Spinta dalla necessità di potenziare i mezzi di trasporto, l'ingegneria americana puntò sulla realizzazione di motrici a vapore più potenti e veloci: nel 1807 Robert Fulton costruì una nave per trasporti fluviali azionata da una motrice alimentata da una caldaia a vapore.

Nel campo minerario la storia dell'ingegneria americana è ricca di aspetti particolari: la corsa all'oro portò allo sviluppo delle ricerche minerarie e al perfezionamento dei processi di estrazione: nell'Arizona si iniziò (1906) il processo della flottazione, per merito di John Parke Channing (1863-1942). Nel campo siderurgico vennero creati i primi grandi complessi: fino al 1890 Pittsburgh fu il centro più importante, sostituito più tardi dalla città di Gary, nella regione del Lago Superiore. La corsa al petrolio iniziò nella Pennsylvania nordoccidentale, presso Titusville: il pioniere fu Edwin Laurentine Drake che nel 1859 iniziò lo sfruttamento industriale della nuova materia prima. (V. PETROLIO.) Nel XVIII e XIX sec. per merito di scienziati di nazionalità diverse (Galvani, Franklin, Coulomb, Volta, Oersted, Henry, Ampère, Faraday, Wheatstone, Ohm) vennero poste le basi scientifiche dell'ingegneria elettrotecnica. Il primo passo nel campo delle telecomunicazioni fu il telegrafo; il 24 maggio 1844 Samuel Finley Breese Morse trasmise tra Baltimora e Washington il primo celebre messaggio: "What Hath God Wrought!". Nel 1851, entrò in servizio il primo cavo telegrafico fra Calais e Dover; nel 1876 all'Esposizione di Filadelfia venne presentato per la prima volta il telefono; l'anno dopo Thomas Alva Edison brevettò il fonografo. Nel campo dell'energia la storia dell'elettrotecnica comincia con la corrente continua; basandosi sulla legge dell'induzione l'italiano Antonio Pacinotti realizzò una macchina elettrica rotante, che sfruttava l'anello che porta il suo nome; nel 1869 il belga Zénore Gramme brevettò un generatore di corrente continua. Le prime dinamo furono usate per la galvanoplastica, poi la loro applicazione fu estesa all'illuminazione con lampade ad arco, inventate da Davy nel 1809; dopo l'invenzione della lampadina elettrica (Edison, 1878) l'illuminazione con questo mezzo si generalizzò. L'energia elettrica cominciò a sostituire quella termica: la prima ferrovia a trazione elettrica a corrente continua fu realizzata in Germania nel 1879; i primi tentativi di impiego della corrente alternata per l'illuminazione avvennero a Great Barrington, nel Massachusetts, nel 1886; la prima centrale idroelettrica a corrente alternata fu costruita sfruttando la cascata del Niagara attorno al 1895. L'invenzione dell'automobile rivoluzionò la tecnica dei trasporti e diede un notevole impulso alla costruzione di strade e al sorgere di nuove industrie.

Il progresso tecnologico del XXsec. è tale che la storia dell'ingegneria deve ridursi a un elenco, largamente incompleto, di nuovi settori, di nuove tecniche. Basterà citare in proposito l'affermazione di nuove materie prime introdotte nel XIX sec. (cemento e alluminio); dei motori a carburazione e a iniezione; dei propulsori a reazione; delle turbine a vapore e a gas. A partire dal secondo dopoguerra hanno avuto grandi sviluppi l'elettronica, la tecnologia meccanica (che ha portato all'automazione), l'aeronautica, la petrolchimica; sono sorte l'ingegneria nucleare, la missilistica, la cosmonautica e si sono affermate le materie plastiche e la radiotelevisione. Un completamento dell'elenco precedente sarebbe assai lungo e laborioso; ciò dimostra comunque l'aspetto più importante, e insieme preoccupante, dell'ingegneria moderna, che è l'eccesso di specializzazione dei singoli settori (quindi dei singoli ingegneri). Questo aspetto rende difficile il cogliere le caratteristiche e i princìpi logici di funzionamento comuni a dispositivi di macchine profondamente diverse. Per comprendere questi princìpi comuni e coordinarli logicamente, nel secondo dopoguerra sono nati nuovi settori dell'ingegneria: l'ingegneria dei sistemi e la bionica, entrambi derivati in buona parte dalla cibernetica. L'ingegneria dei sistemi si riferisce in particolare a impianti produttivi (di energia, o di manufatti) di notevole complessità; si pensi, ad es., alla linea di produzione di un'autovettura, oppure a un impianto di produzione metallurgica a ciclo integrale. Al funzionamento di impianti di questo tipo concorrono settorialmente varie specializzazioni dell'ingegneria: chimica, siderurgica, meccanica, elettronica, dei trasporti, elettromeccanica, ecc. L'ingegneria dei sistemi considera invece l'impianto in senso globale, in funzione dei dati quantitativi di "entrata" e di "uscita", dei controlli necessari, della sua organizzazione interna, della programmazione necessaria, del grado di affidamento e dei limiti di incertezza statistici quantitativi dei prodotti di uscita. L'ingegnere dei sistemi non deve necessariamente essere uno specialista delle tecniche o del funzionamento dei singoli componenti che, rispetto al sistema, sono scatole chiuse (analoghe ai quadratini degli schemi a blocchi delle apparecchiature elettriche), ma deve conoscerne invece le interconnessioni, i controlli, le retroazioni. La bionica (biologia-elettronica) è una disciplina di tutt'altra concezione. Il suo scopo è infatti quello di studiare le funzioni biologiche mediante modelli (meccanici, elettronici, fluidodinamici) che ne simulino il comportamento; in particolare tra le funzioni biologiche il campo viene ristretto a quelle concernenti il sistema nervoso o le funzioni di controllo di processi vitali. Il sistema nervoso viene concepito come una rete di neuroni; le più importanti funzioni simulate sono quelle sensoriali e quelle degli organi effettori. Ad esempio in quest'ultimo caso si tratta di simulare il meccanismo mediante il quale gli impulsi nervosi che arrivano alle estremità delle fibre nervose motorie modificano lo stato di tensione delle fibre muscolari stesse in modo che, ad es., una mano afferri un oggetto o suoni il pianoforte. Per intendere l'interesse di queste ricerche, basti pensare al problema meccanico-fisiologico del funzionamento degli arti artificiali.

Con la bionica si può dire quindi che nella storia dell'ingegneria si tende a chiudere un certo ciclo, iniziatosi con lo scienziato greco, passato attraverso l'artista-architetto-ingegnere del Rinascimento italiano, lo scienziato-ingegnere del Settecento francese, l'industriale-ingegnere dell'Ottocento americano. L'ingegneria, insieme di applicazioni coordinate dei princìpi della fisica, ritorna con un nuovo bagaglio di conoscenze tecniche allo studio della vita umana, che si era staccato dalla fisica nel periodo in cui la specializzazione era considerata inevitabile.

Genetica

L'ingegneria genetica consta essenzialmente di due stadi: uno da realizzare in provetta, l'altro da realizzare all'interno della cellula entro la quale si siano trapiantati geni estranei. Nello stadio in provetta, la procedura più comune richiede la produzione enzimatica di molecole ibride tra il gene da trapiantare (derivato da organismi diversi dall'ospite cui è destinato) e una molecola di DNA capace di replicarsi nell'ospite (detta vettore molecolare). A questa procedura si dà il nome di "ricombinazione in vitro" del DNA. I geni da trapiantare possono essere ottenuti in vari modi: possono venire isolati dal resto del DNA dell'organismo da cui derivano, possono essere sintetizzati a partire da RNA messaggeri e copiati in sequenze di DNA per mezzo dell'enzima trascrittasiinversa, oppure possono essere sintetizzati per via chimico-enzimatica. Più recentemente è stato messo a punto un sistema che permette di trapiantare una miscela di geni contenente quello che interessa e di selezionare poi la cellula che, a seguito del trapianto del gene desiderato, ha acquistato caratteristiche fenotipiche (v. FENOTIPO )derivanti da quello. Come vettori molecolari è possibile usare i DNA di virus, capaci di infettare le cellule bersaglio, oppure i DNA di plasmidi, minicromosomi accessori presenti nel citoplasma di cellule procariotiche. Caratteristiche dei vettori molecolari sono la ridotta dimensione rispetto al DNA della cellula ospite, la capacità di replicazione autonoma entro di essa e la sua caratterizzabilità fenotipica. Esistono diversi mezzi per introdurre DNA estraneo all'interno di cellule: penetrazione passiva, microiniezione, coprecipitazione del DNA e delle cellule con fosfato di calcio così da far adsorbire il DNA alle cellule, che poi lo inglobano e lo trasferiscono al nucleo, dove il gene estraneo può integrarsi in vari punti dei cromosomi residenti, fusioni tra cellule e tra cellule e liposomi. L'ingegneria genetica può essere applicata alle cellule microbiche e a quelle superiori (animali e vegetali). Le cellule microbiche (specialmente quelle di Escherichia coli, Bacillus subtilis, di streptomiceti, di lieviti) sono particolarmente utili in quanto possono trasformarsi in minireattori per la produzione di proteine sintetizzate in piccole quantità da animali e dall'uomo in particolare. Il gene corrispondente viene trapiantato e clonato nel microrganismo scelto e indotto a funzionare nel suo citoplasma in modo da produrre grandi quantità delle proteine desiderate: in questo modo sono stati prodotti preziosi ormoni ed enzimi quali lo somatostatina, l'insulina, la somatotropina, l'urochinasi, la timosina e l'interferon. Applicata alle cellule superiori, l'ingegneria genetica ha portato alla sintesi di proteine utili e aperto, ma anche aprire la strada a tecniche molecolari di diagnosi prenatale (ad es. per alcune anemie) e di terapia genica, suscitando peraltro un acceso dibattito sulla liceità o meno della manipolazione dei geni di esseri umani.