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Tecnologia, materiali, nautica: superare i limiti della criticità

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Helios, progetto di barca solare dei designer italiani Marco Ferrari e Alberto Franchi: il silicio è sulle vele
Helios, progetto di barca solare dei designer italiani Marco Ferrari e Alberto Franchi: il silicio è sulle vele

Helios, progetto di barca solare dei designer italiani Marco Ferrari e Alberto Franchi: il silicio è sulle vele

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La criticità: il termine non è nuovo, ma sono in pochi a conoscerne il reale significato, le limitazioni che impone al progresso, gli stimoli che provoca nella ricerca

Prendiamo un ponte semplice, quello che collega due sponde in una sola campata: un ponte ha una sua lunghezza critica, che rappresenta la massima distanza tra le sponde che può essere superata da una struttura che appoggia su di esse e non ha altri sostegni intermedi. La lunghezza critica deriva dal fatto che il ponte consta di una struttura fatta con dei materiali e con una certa forma: i materiali hanno un loro peso e la struttura un limite di resistenza che dipende dai materiali usati e di come sono collegati. Per fare un esempio semplice poniamo di appoggiare una putrella di acciaio da una parte all’altra: fino ad una certa lunghezza una putrella resiste, poi si rompe o collassa al centro. Qualcuno penserà che basta rinforzare la putrella: ma per rinforzare la putrella occorrerà farla più grossa e quindi più pesante, col risultato che collasserà ugualmente. Il concetto è quello che per evitare il collasso occorre irrobustire la struttura, ma per irrobustirla occorrerà farla più grossa e più pesante, e quindi più facile da collassare. La criticità è quindi un meccanismo per il quale ogni volta che si tenta di superarla ci si ritrova nelle stesse condizioni.

Il Duge Bridge di Beipanjiang in costruzione
Il Duge Bridge di Beipanjiang in costruzione

Prendiamo un altro esempio: immaginate di avere un pozzo senza fondo nel quale volete calare una fune. La lunghezza critica di quella fune è quella che provoca la rottura della fune per il proprio peso: se una fune pesa un etto al metro (0,1 kg) ed ha un carico di rottura di 100 kg, la sua lunghezza critica è di 1000 metri. Posso, certo, accrescerne la resistenza aumentandone la sezione, facendola più grossa, ma insieme alla sua resistenza si accresce anche il peso, e i termini del problema rimangono gli stessi, e così la lunghezza critica. Dobbiamo allora cambiare materiale, sceglierne uno più leggero e con la stessa resistenza, ma alla fine ci ritroveremo solo con una lunghezza critica maggiore

Altro esempio di criticità è il volo degli uccelli. Perché secondo voi gli struzzi non volano? Per la stessa ragione per cui non possono volare gli uomini: sono troppo pesanti! Eppure la natura ha dotato gli uccelli di strutture particolari, come le ossa cave e quindi di minor peso, e li ha dotati di piume, anche esse leggerissime e cave: ciononostante un uccello non può spiccare il volo sollevandosi con le proprie forze se supera un peso di circa 20 kg. Un uccello più pesante per sollevarsi avrebbe bisogno di una maggiore superficie delle ali, di muscoli più potenti per batterle e di una struttura più forte: cioè di un incremento di peso, il che riporta il problema al punto di partenza. Quando nei film di fantascienza vedete dinosauri volanti, vi stanno propinando delle frottole: perché è grosso modo una cicogna il più grosso uccello volante, e vola anche con una certa fatica perché è prossimo alla criticità: tanto è vero che nidifica sui comignoli perché dai posti più alti è più facile librarsi e si ha più spazio per battere le ali.

Un drago volante, dal film Avatar
Un drago volante, dal film Avatar

Infine la nautica e la propulsione elettrica: la criticità consiste nella superficie attualmente necessaria a produrre 1 CV, cioè almeno 6-7 metri quadri di pannelli solari: per ospitare questa superficie la barca dovrebbe essere lunga almeno sei metri. Ma una barca da sei metri non è pensabile possa disporre di un solo cavallo. Certo si può prendere una barca più lunga e più larga per aumentare la superficie utile, ma una barca più lunga e più larga ha bisogno di una potenza maggiore, e così via. Né, come qualche volta qualcuno obietta, si può pensare alle batterie, perché anche quelle devono essere ricaricate e quindi consentono una autonomia limitata, anche perché devono servire a gestire la notte o i cali di irraggiamento dovuti alle nuvole. Questo succede oggi, e con i pannelli attualmente reperibili! Perché solo per gli uccelli non c’è niente da fare: la ricerca e l’utilizzo di nuove tecnologie e di nuovi materiali ha sostituito l’acciaio con l’alluminio nei motori marini e con il titanio nello spazio, ha creato fibre sintetiche più leggere e più resistenti delle fibre vegetali, ha cambiato la struttura dei ponti e ne ha aumentato la lunghezza critica, troverà probabilmente pannelli solari con rendimenti maggiori di quelli al silicio, ma il concetto di criticità resterà lo stesso valido, e lo scopo della ricerca sarà sempre quello di farne retrocedere i limiti allargando il campo delle nostre possibilità.

Alfredo Gennaro

Una barca solare interamente ricoperta di pannelli fotovoltaici
Una barca solare interamente ricoperta di pannelli fotovoltaici

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