Maxwell e l’ingegneria italiana

Lo svolgimento, anche sommario, di un simile tema richiede, in via preliminare, l’approfondimento dei seguenti quesiti:

• Quale fu il rapporto di Maxwell con l’Ingegneria?
• Qual fu il rapporto di Maxwell con la cultura e la scienza italiana?
• Quale fu il rapporto della scienza italiana con l’Ingegneria?
• Quale fu, infine, il rapporto di JCM con l’Ingegneria Italiana?

Cominceremo con il ricordare rapidamente :

• Chi fu Maxwell Quali furono i suoi contributi
• Come questi si collocano nella scienza e nella tecnologia inglese ed europea del suo tempo.

In ogni caso, nel presente contesto, Maxwell va innanzitutto colto per i suoi fondamentali contributi all’Elettromagnetismo Classico. I quali vanno interpretati in ragione delle sue quattro omonime equazioni:

Alla domanda « Che cos’è la teoria di Maxwell ? » non saprei dare risposta più concisa e definita di questa: « La teoria di Maxwell è il sistema delle equazioni di Maxwell ». H. Hertz, Untersuchungen über die Sausbreitung der elektrishen Kraft, Lipsia, 1894.

Per le quali, con Hertz, verrebbe da dire:

Auf die Frage: « Was ist die Maxwell’sche Theorie?» » wüsste ich also keine kürzere und bestimmtere Antwort als diese «die Maxwell’sche Theorie ist das System der Maxwell’schen Gleichungen»

E la cui integrazione consente di: Evidenziare le onde elettromagnetiche nel vuoto e nella materia. Di unificare l’elettromagnetismo con l’ottica di dar ragione delle implicazioni energetiche legate ai fenomeni elettromagnetici. Di evidenziare i legami con la gravità e dunque con la relatività. Complessivamente, l’elettromagnetismo maxwelliano può inserirsi nella scienza e nella tecnica moderne nei termini seguenti:

L’ingegneria elettrica all’interno del paradigma maxwelliano

A questo punto, per comprendere nel dettaglio, se ci fu, il rapporto di JCM con l’ingegneria, si dovrebbero analizzare a fondo il pensiero e l’opera del Grande Scozzese calandola nell’epoca in cui egli visse; Ma, anche a prescindere dalle ovvie questioni di tempo, occorre tenere ben presente che:

Data l’ampiezza, la profondità e la varietà dei suoi contributi, l’analisi, anche sommaria, del pensiero maxwelliano non costituisce un compito immediato; L’oggettiva difficoltà è poi accresciuta dal fatto che i risultati da lui conseguiti nei diversi settori della scienza furono tappe simultanee, e non separate e successive, del suo percorso intellettuale.

Limitiamoci dunque a sottolineare che: non vi può essere dubbio alcuno che la vastità, la particolare natura e la profondità dei contributi da lui apportati collocano la sua figura nel novero dei Padri della Scienza. Con lui, ciò che era accaduto prima con Galileo e Newton e si sarebbe riverificato in seguito solo con Einstein, la fisica fece proprio un modo del tutto nuovo di pensare la Natura e vide disponibili potenzialità conoscitive prima
inimmaginabili.

Basti osservare al riguardo che, pur successivamente perfezionate, sia la fisica delle particelle che quella dei campi, se non la fondazione, debbono comunque a lui la loro messa a punto teorica e metodologica.

E, così dicendo, si finisce certamente con il trascurare in modo inevitabile tutta una parte, certamente non meno significativa sul piano concettuale, della sua ampia ed eclettica produzione.

Valga per tutti il suo famoso studio giovanile sugli anelli di Saturno, superiore, sotto l’aspetto analitico e della completezza dei risultati conseguiti, all’analogo lavoro a suo tempo già compiuto da Laplace.

Ed allora dovremmo parlare dei tanti e simultanei Maxwell che vi furono e che mirabilmente si intrecciarono:

• Del Filosofo naturale
• Del Fisico matematico
• Del misurista
• Dello sperimentale
• Del docente
• Dell’umanista
• Del cultore d’arte
• Del glottologo
• Del nobile scozzese
• Dello storico della scienza

Ma, privilegiando il filosofo della scienza e ricordandoci il suo modello meccanico dell’etere:

Ci basterà ricordare, perché a noi spiritualmente più vicino:

• il suo impiego euristico della teoria dei modelli,
• la sua concezione rivoluzionaria della materia
• il superamento del meccanicismo
• l’approdo conseguente ad una sintesi finale in cui matematizzazione e teorizzazione sono momenti coincidenti

Senza dimenticare l’uomo… Maxwell non fu affatto grande. Contrariamente a quanto sembrano suggerire i non molti dagherrotipi che lo ritraggono, egli raggiunse a male pena il metro e sessanta. Fu però un grande della fisica. Forse il più grande di tutti Maxwell è notissimo ai fisici. Al di fuori del loro ristretto ambito egli è invece, a differenza di Einstein, pressoché sconosciuto.

Veniamo ora al possibile rapporto di Maxwell con l’Ingegneria del suo tempo. Anche senza ricordare il cameo della prima foto a colori, fatta da lui
e a tutt’oggi non interamente compresa:

Vanno ricordati, perché vicinissimi all’ingegneria moderna, i suoi seguenti contributi:

L’analisi della dinamo ad eccitazione derivata, concepita da Wheatstone ed indagata con scarso successo da von Siemens.

La teoria delle reti, di cui, perfezionando i metodi di Kirchhoff, formalizzò l’analisi agli anelli ed ai nodi. L’evoluzione ed il perfezionamento per via lagrangiana dei modelli dinamici ad una (von Siemens e von Helmholtz) e a due (lord Kelvin) energie che lo condusse, con venti anni di anticipo rispetto agli ingegneri alle equazioni del trasformatore:

Anche se.

Il negative feedback

I fenomeni della risonanza

Il valore euristico del calcolo dimensionale

Per tacere del telefono, Come del resto, a proposito della dinamo, parla di Gramme, Di cui, tutto sommato, non coglie l’essenza e, relativamente al quale, non cita Meucci. O dell’ Analisi del Sito, da cui parte la moderna Topologia, poi ripresa da Poincarè.

Fino a qui, tutto sommato, sembrerebbe però trattarsi più che altro di “singolarità e curiosità” essenzialmente legate alle doti di uno dei più geniali
scienziati della storia.

• E il parlarne non andrebbe molto lontano dalla solita annedottica…
• In realtà qualcosa ci fu di più profondo ed intrinseco
• E per scoprirlo e per parlarne brevissimamente occorrerà esaminare il rapporto intercorso tra JCM e la cultura britannica

Cominciamo con l’osservare che:

• Durante la vita Maxwell ebbe pochissimi riconoscimenti.
• E, se si pensa alla ricchezza, profondità e polivalenza dei suoi contributi, la cosa non può che stupire.

Le ragioni furono molteplici. Innanzitutto egli fu un grande anticipatore. Secondariamente, benché tale denominazione non fosse stata ancora adottata, Maxwell fu di fatto un fisico teorico e, in quegli anni di II Rivoluzione Industriale, la fisica inglese aveva, in una forma vicina a Kelvin ma estranea ad uno studioso come il fisico scozzese, una forte valenza tecnologica. Nella sostanza, l’unico suo reale contatto con il mondo del lavoro è costituito dalle lezioni serali che egli tenne agli operai.

Intuì sempre che le sue idee erano dovute ad una “profondità inconscia” e che, assai spesso, era il risultato di processi irrazionali a rendere possibili le sue grandi intuizioni. E furono proprio queste consapevolezze, che egli non tenne mai solo per sé, ad isolarlo sempre di più dai colleghi. E, più in
generale, dai contemporanei. Ma a metterci lo zampino fu la Rivoluzione Industriale.

All’inizio della seconda metà del diciannovesimo secolo l’ acquisizione scientifica dei fenomeni elettromagnetici, testimoniata dall’ opera faradiana, pur ampiamente innovativa nelle sue premesse metodologiche, non poteva dirsi, di fatto, soddisfacente.

Tutto ciò, oltre a tradursi comunque nel mancato sviluppo di una teoria coerente dell’ Elettromagnetismo, aveva riflessi tangibili e diretti sul piano industriale. In tale ambito, infatti, l’estensione di tale classe di fenomeni alle nuove tecniche produttive veniva scontrandosi con varie difficoltà, sia di ordine pratico che didattico.

Le prime derivavano dall’esigenza di dare risposte scientifiche e non empiriche che, puntando ad una rivoluzione rapida dei metodi di ricerca, sapessero tradursi in un immediato adeguamento delle conoscenze alle mutate istanze della produzione.

Quanto alle seconde, esse erano riconducibili alla sempre più sentita necessità di formare nuovi quadri tecnici in grado di sostenere lo sviluppo tecnologico in atto.

In Inghilterra, inoltre, si andava diffondendo la convinzione che gli ingegneri delle scuole politecniche continentali avrebbero reso sempre più
temibile la concorrenza europea.

Ciò, tra l’altro, appariva particolarmente vero per le scuole di ingegneria tedesche. E l’Expo di Parigi (1867), ma già prima, a Sadowa (1866), la fulminea sconfitta degli Imperi Centrali da parte della Prussia, avevano mostrato quanto tale timore fosse fondato.

Nella chiara consapevolezza di tutto ciò, Maxwell ravvisò proprio in un recupero delle idee di Faraday ed in un loro successivo inquadramento fisico- matematico la corretta soluzione del problema.

L’avvenuta matematizzazione, dotando il concetto faradiano di campo di tutte le sue potenzialità esplicative, ne avrebbe infatti fatto l’indispensabile elemento di base, sia computazionale che interpretativo, per la descrizione concettuale ed applicativa dei fenomeni.

E’ proprio con questo spirito che, chiesta la previa autorizzazione ai suoi maestri Kelvin e Stokes.

James si impegna nel suo Grande Disegno di filosofo naturale di fisico matematico: la Dynamical Theory, una sfida da fisico teorico e da filosofo della scienza.

E a confermarlo sono rispettivamente i passaggi matematici e la rinuncia finale al meccanicismo espresso dal vortice molecolare.

Ma leggiamo le parole con cui inizia il primo lavoro della trilogia che, in otto anni, doveva portarlo a rivoluzionare la Fisica:

Occorre poi tener presente il ruolo di JCM come direttore del Cavendish, il più prestigioso centro di ricerca fisica del mondo.

L’operare nel duplice ambito fisico- matematico e sperimentale fece di Maxwell un artefice di primo piano del processo di rinnovamento dell’ istruzione universitaria in Inghilterra. Sotto la sua guida il Cavendish si caratterizzò per la connessione immediata che veniva a stabilirsi tra l’ insegnamento superiore e la ricerca avanzata.

Veniva meno in tal modo, come già in Germania, l’attività di ricerca nata dall’ interesse del singolo scienziato e subentrava (Maxwell, con Bacone,
parlerà al riguardo di experiment in concert) un’attività compito di un’istituzione appositamente concepita, all’ interno della quale il conseguimento degli obiettivi prefissati sarebbe stato di necessità assicurato da un lavoro collettivo e finalizzato.

E la conferma è immediata. Quando, nell’agosto del 1870, in una settimana, il più potente esercito del mondo, quello di Napoleone III, viene sbaragliato a Sedan dai Prussiani, e anticipa la pubblicazione, che avviene nel 1873, del suo Treatise, Maxwell si rende conto della distanza tra le due tecnologie, la prussiana e la britannica e lo dedica agli ingegneri.

È in questa precisa ottica che deve essere letta la connessione tra la fisica teorica e l’episteme maxwelliana e la nascente ingegneria elettromagnetica postfaradiana.

Facciamo prima un veloce ripasso

campi azione a distanza: spazi geometrici

• 1801: Pila Voltiana (è il primo colpo all’Illuminismo ed all’Ècole: per la prima volta, fluidi diversi interagiscono all’ interno di un sistema)
• 1820: Oersted (l’interazione magnetoelettrica evidenzia come elettricità e magnetismo interagiscano; la Meccanica come condizione di intelligibilità del mondo è contrastata dalla naturephilosophie tedesca)
• 1824: Ampere (l’elettrodinamica voltiana cerca di riportare Oersted nell’ortodossia newtoniana)

La scienza francese esce di scena ed il gioco passa oltre la Manica

Azione per contatto: spazi fisici

• 1831: legge di Faraday (viene abbandonato il modello a distanza e si passa a quello per contatto)

Il genio di Helmholtz

• 1847: conservazione della forza/potenziale vettore (il ruolo primario dell’energia comincia ad essere acquisito/lo stato elettrotonico di Mossotti viene formalizzato analiticamente)

La teoria di Faraday viene essere matematizzata ed interpretata, all’interno dell’etere da un modello meccanico

• 1856: On Faraday’s lines of force (JCM cerca di far assolvere il pensiero faradiano dall’accusa di essere un approcio metafisico)
• 1862:On Physical lines of force (JCM elabora il modello meccanico dell’etere luminifero)

Teoria e messa in equazione coincidono: il modello meccanico diviene un ausilio “visivo”.

• 1864: A Dynamical Theory of Electromagnetic Field (vengono formalizzate le equazioni del campo)

A questo punto non resta che vedere i legami tra la cultura italiana e Maxwell. Basterà dare uno sguardo veloce a questa tabellina, costruita contando pedissequamente le citazioni sul Treatise di autori italiani.

Kelvin	127
Faraday	104
Weber	62
Laplace	50
Ampére	47
Poisson	44
Helmholtz	34
Gauss	33
Ohm	30
Tait	30
Green	28
Lagrange	24
Hamilton	23
Coulomb	22
Kirchhoff	22
Joule	20
Newton	14
Ri1emann	13
Poggendorf	13
Oersted	11
Stokes	11
Hertz	10
Thomson	10
Heaviside	6
Poynting	5
Poincaré	5
Mc Cullag	3
Descartes	2
Rankine	2
Maxwell	1

 

 

 

 

Volta	11
Betti	11
Felici	6
Mossotti	4
Matteucci	3
Brioschi	1
Torricelli	1
Lucrezio	1
Orazio	1
Virgilio	1

Questa hit-parade consente di mettere a fuoco l’immagine di JCM. Per quanto riguarda l’Italia, citeremo: Betti(1), Brioschi(1)

Ma c’è una figura importante che incontriamo e su cui dovremo meditare.

• Infinitamente variata nelle sue manifestazioni, la Natura non può che essere unica nelle sue premesse.
• Lo stato elettrotonico quale premonizione del potenziale vettore.
• La teoria dei dielettrici.

Fabrizio Ottaviano Mossotti

Non a caso: Nientemeno che Sir Edmund Whittaker, nel suo famoso trattato, cita Faraday, Kelvin e Mossotti definendoli testualmente

«the predecessors of Maxwell»

Terremo inoltre presente il rapporto di JCM con Pavia. A questo punto, sullo scenario della II Rivoluzione Industriale, il legame con l’ingegneria italiana è immediato.

E, come atto costitutivo della nascita della moderna ingegneria elettromagnetica scientifica è certificato dalla seguente magna charta:

Il mutuo induttore era stato elaborato venti anni prima da Maxwell nella sua Dynamical Theory:

Tenendo conto che la successione è la seguente:

• lo scienziato
• Il fisico matematico
• lo scienziato inventore
• Il fisico matematico che diventa ingegnere

Tenendo conto di quanto si mormora sulla nascente ingegneria e sui suoi metodi:

«Electrical engineering was born yesterday and had no long-standing tradition, no professional culture». «Attemps of ordinary mortals to do better than Maxwell did must discouraged. Let us follow Maxwell as long as we can, then, when someone is born who is more profound than Maxwell, we will bow him».

«The theory of the transformer described a device that does not exist in practise, but merely haunts as a phantom transformers the text- books and mathematical treatise on
transformers»;

«Most theories of the induction motor were written only by theorist who never constructed a motor themselves and who have never seen a motor taken apart»,

«Phantom transmission lines circuit of uniformly distributed capacity and inductance was very different from the circuit existing in practice».

Ma anche il campo rotante è di derivazione maxwelliana. Il trifase fu solo un miglioramento.

Vediamo allora lo scenario: