PROGETTO CURVE CELEBRI

1. PROGETTO CURVE CELEBRI LA CATENARIA menù

2. Scuole partecipanti • Liceo Scientifico “Guglielmo Oberdan”, Trieste • Insegnante Giulialba Pagani • ISIS “Dante Alighieri”, Gorizia • Insegnanti Marina Altran, Giuliano De Biasio, Emanuela Fabris

3. MENU' PRINCIPALE • La catenaria: introduzione storica • Galileo e la catenaria • Le curve nella storia • Jacob Bernoulli • Grafici di funzioni • Joachim Jungius • FISICA: La statica della catenaria • L’esperienza della catenella e altre • Derivazione della catenaria da una conica: catenaria come luogo dei fuochi di una parabola • La catenaria come funzione cartesiana: equazione differenziale e risoluzione • Funzioni iperboliche • Studio del coseno iperbolico • Cerchio osculatore ed evoluta; pseudosfera di Beltrami • Altre vie per arrivare alla catenaria • Clinoide e Velaria • Applicazioni in ARCHITETTURA • La catenaria nella vita quotidiana • Gaudì e Alvaro Siza • L’arco di Torino

4. next Le curve nella storia Gli storici ritengono che la geometria sia nata in Egitto. Gli agrimensori egizi tracciavano con le funi le due linee più semplici e più importanti: la retta, tendendo una fune tra due punti, ed il cerchio, facendo ruotare uno di tali punti attorno all’altro, che rimane fisso. Presso i Greci la geometria diventa sistema. Gli “Elementi” di Euclide (300 a.C.) sono organizzati secondo il metodo assiomatico - deduttivo, fondato su concetti primitivi, definizioni, assiomi o postulati, teoremi. I problemi classici (duplicazione del cubo, trisezione dell’angolo, quadratura del cerchio) non vengono risolti con riga e compasso. I geometri greci inventano nuove curve, con le quali risolvere i tre problemi (quadratrice, cissoide, ecc.). Apollonio (III-II sec a.C.) studia le coniche, come sezioni di una superficie conica con un piano: circonferenza, parabola, ellisse, iperbole. Cartesio (sec. XVII) definisce il piano cartesiano ed in esso rappresenta le coniche come equazioni di secondo grado in due incognite. In generale, ad un’equazione algebrica F(x,y) = 0 si può collegare una curva: il luogo dei punti le cui coordinate (x,y) soddisfano tale equazione. Le curve si possono costruire per punti, risolvendo equazioni. Viceversa le equazioni si possono risolvere intersecando due curve. Nasce il calcolo differenziale con Newton e Leibnitz (fra ‘600 e ‘700) Il problema di trovare la tangente ad una curva in un punto, ossia la determinazione della retta che approssima meglio di ogni altra una curva data nelle vicinanze di un suo punto, porterà alla scoperta del calcolo differenziale Nascono le equazioni differenziali (Cauchy e Gauss, ‘800) Il problema inverso consiste nel trovare una curva conoscendo una relazione fra i punti e le tangenti relative. Si ottengono equazioni che legano le variabili ed i loro differenziali: sono dette equazioni differenziali. Con esse emergono le curve trascendenti (non esprimibili con equazioni algebriche): si rifanno alle funzioni trigonometriche, esponenziali, logaritmiche. menù

5. La CatenariaIntroduzione storica • La curva che si forma fissando le due estremità di una catena flessibile e omogenea è detta catenaria. • Lo studio della catenaria ha origini relativamente recenti rispetto a quelli di altre curve, come la cissoide, la concoide o la cicloide. • Tale curva compare infatti per la prima volta negli scritti di Galileo nel 1638.

6. back next Galileo e la catenaria Il primo ad analizzare la catenaria fu Galileo. Egli pensava, però, che fosse una parabola, probabilmente a causa delle numerose analogie con essa. Entrambe infatti hanno un vertice, un asse di simmetria verticale e sono entrambe continue e differenziabili ovunque. L’ampiezza della curva, inoltre, aumenta sempre più man mano che ci si allontana dal punto più basso, senza però mai dare origine ad una linea verticale. menù

7. back next Joachim Jungius • Matematico tedesco, nacque a Lubecca nel 1587 e morì ad Amburgo nel 1657. • Nell’opera “Geometria empyrica”, Joachim Jungius dimostrò che la catenaria non è una parabola e che Galileo aveva commesso un errore. Quale curva fosse e quale equazione la rappresentasse rimaneva però un problema aperto. • Fu uno dei primi ad usare gli esponenti per rappresentare le potenze e usò la matematica come modello per le scienze naturali. menù

8. La sfida di Bernoulli • Nel 1690 Jacob Bernoulli, attraverso una rivista scientifica, lanciò la sfida agli insigni matematici del tempo invitandoli a risolvere il problema. • La risposta arrivò contemporaneamente da diversi matematici e fisici: Huygens, Leibnitz, Johan Bernoulli, lo stesso Jacob Bernoulli, Herman, Gregory. • Nello studio di questo come di altri problemi, quello della brachistocrona, il problema delle tangenti di Leibnitz, quello della velocità istantanea, vennero introdotti nuovi metodi che costituirono le basi di quel calcolo che fu poi detto infinitesimale.

9. “La famiglia Bernoulli è stata per la matematica quello che la famiglia Bach è stata per la musica.” back next Jacob Bernoulli Nato nel 1654 nella città svizzera di Basilea da una famiglia altolocata, Jacob Bernoulli nel 1671 si laureò in filosofia nella locale università. Nel contempo si interessava alla matematica e all’astronomia. In Olanda lavorò a fianco di famosi scienziati, tra i quali Hooke, Boyle e Hudde. Di ritorno in Svizzera, Bernoulli insegnò meccanica all’Università, in una serie di importanti lezioni sul comportamento dei fluidi (ricordiamo il teorema di Bernoulli). menù

10. back Grafici di funzioni A differenza di altri tempi, oggi abbiamo a disposizione tanti strumenti informatici per tracciare curve, ad esempio il foglio elettronico Excel, il software Derive, il linguaggio di programmazione Pascal. menù

11. Ricerca dell’equazione Ci siamo dotati di diversi tipi di catene (per peso e lunghezza) e le abbiamo fissate a due supporti posti a uguale quota. Abbiamo tracciato le curve descritte dalle diverse catene su un foglio millimetrato posto verticalmente sul piano delle catene stesse.

12. A questo punto, studiando i grafici ottenuti, si è osservato che catene di peso diverso ma uguale lunghezza descrivevano la stessa curva.

13. FISICA: La statica della catenaria La CATENARIA è detta anche CURVA FUNICOLARE: è la curva secondo cui si dispone una catena o una fune omogenea e ben flessibile, appesa a due punti estremi. La lunghezza della fune, evidentemente maggiore della distanza tra gli estremi stessi, si suppone grandissima rispetto al diametro della fune; quest’ultima si chiama perciò spesso “filo” e la catenaria è la curva di equilibrio di un filo pesante. La catenariaviene così associata ad un sistema fisico materiale ad una dimensione. Ora, su di un elemento generico del filo, compreso tra i punti di ascisse curvilinee s e s+ds agiscono tre forze: 1. la forza attiva F*ds; 2. la tensione dell’estremo s+ds: T(s+ds); 3. la tensione nell’estremo inferiore s : -T(s); La condizione necessaria e sufficiente per l’equilibrio è espressa dall’annullarsi della risultante di codeste tre forze (la condizione deve essere soddisfatta per ogni elemento dell’arco AB). Questa condizione permette di calcolare la sua equazione. menù

14. next Derivazione della catenaria da una conica METODO EMPIRICO Partendo dalla riproduzione su cartoncino di una parabola, abbiamo proiettato sull’asse delle ascisse punti tra loro equidistanti appartenenti ad essa. Ruotando la conica fino a farla coincidere con le proiezioni abbiamo segnato lo spostamento della posizione del fuoco. Infine unendo i suddetti punti abbiamo verificato che la curva che se ne originava era una catenaria. Questa viene vista comeluogo dei fuochi di una parabola che rotola lungo una retta orizzontale. Anche in questo usando il calcolo differenziale possiamo trovare l’equazione del luogo: si tratta di un coseno iperbolico. menù

15. back IL FUOCO DI UNA PARABOLA VOLVENTE LUNGO UNA RETTA ORIZZONTALE DESCRIVE UNA CATENARIA menù

16. next Le funzioni iperboliche COSENO IPERBOLICO Si definisce coseno iperbolico di x, e si indica con il simbolo coshx , la funzione: definita su tutto l’asse reale e sempre positiva. Si osserva subito che per ogni x  R il valore del coseno iperbolico di x è la media aritmetica tra i numeri ex ed e-x; inoltre la funzione è pari. Ne deriva il seguente grafico: menù

17. back SENO IPERBOLICO Si definisce seno iperbolico di x , e si indica con il simbolo senhx, la funzione: definita su tutto l’asse reale. Anche senhx è una combinazione lineare delle due funzioni e può considerarsi per ogni x  R il valore medio tra ex e -e-x . Poichè risulta per ogni x R, la funzione è dispari, ovvero simmetrica rispetto all’origine. Ne deriva il seguente grafico: menù

18. next Studio del coseno iperbolico Come visto l’equazione della catenaria è una FUNZIONE IPERBOLICA, equivalente al COSENO IPERBOLICO, la cui equazione è: Abbiamo assegnato ad a tre valori arbitrari, ovvero: menù

19. back next • Abbiamo studiato separatamente le tre funzioni y1, y2, y3. • I risultati raggiunti sono stati i seguenti: • Dom(y1) = Dom(y2) = Dom (y3). • y1, y2, y3 sono funzioni pari, cioè simmetriche rispetto all’ asse y. • Vi è un’unica intersezione con l’asse y: il punto d’incontro coincide con il vertice della curva e ha ordinata uguale al parametro a. • Mediante il calcolo differenziale si conferma l’esistenza di un minimo (coincide con il vertice), calcolando la derivata prima della funzione. • Ancora la derivata prima ha permesso di evidenziare gli intervalli di crescenza o decrescenza. Infatti, la singola funzione decresce in ] -∞; 0 [ e cresce in ] 0; +∞ [. • La derivata seconda ha stabilito che le tre catenarie volgono la concavità verso l’alto. ...e ci siamo chiesti come varia il grafico del coseno iperbolico al variare del parametro a... menù

20. back Sono stati tracciati i tre grafici nello stesso piano cartesiano e avviato un confronto tra gli stessi. L’osservazione porta ad affermare che: diminuendo (o aumentando) i valori del parametro a > 0 diminuisce (o aumenta) l’apertura della curva e diminuisce (o aumenta) l’ordinata del vertice (yv scorre sull’asse y dall’alto verso il basso o viceversa). menù

21. next Altre vie per arrivare alla catenaria... • Cerchio osculatore ed evoluta • Pseudosferadi Beltrami • Clinoide • Velaria menù

22. back next Cerchio osculatore ed Evoluta • Considerando una curva, la tangente approssima l’andamento del tratto della curva; • Per approssimare meglio l’andamento si possono utilizzare altre curve; ad esempio la circonferenza; La circonferenza che approssima meglio l’andamento è dettaCERCHIO OSCULATORE • Il suo raggio è perpendicolare alla tangente nel punto di tangenza; • La curvatura della curva è inversamente proporzionale al raggio del cerchio osculatore; quindi, a curve ampie corrispondono raggi maggiori e a curve più strette corrispondo raggi minori; menù

23. back next La pseudosfera di Beltrami Verso la fine degli anni sessanta del XIX secolo, il dibattito sulle geometrie non euclidee è particolarmente acceso. L’allora giovane matematico italiano Eugenio Beltrami, in seguito alla pubblicazione di una memoria risalente a Gauss nella quale si ipotizzava un nuovo modo di intendere la geometria, pubblica il suoSaggio di interpretazione della geometria non euclidea.Beltrami aveva trovato all’interno della geometria euclidea una superficie di rotazione, la pseudosfera, che poteva essere interpretata come un modello euclideo di geometria non euclidea. Alla superficie aveva dato il nome di pseudosfera perché ha curvatura costante come una sfera ma di segno negativo. Per capire come avviene questa “traduzione” (ovvero l’interpretazione della pseudosfera come modello di geometria piana non euclidea) occorre introdurre la nozione di geodetica. Nel piano il percorso più breve che unisce due punti si trova sulla retta passante per i due punti. Estendendo questo concetto alle superfici, il percorso più breve che unisce i due punti della superficie si trova su di una linea, generalmente curva detta geodetica. menù

24. LA TRATTRICE back next TRATTRICE DI F. MINDING Ruotando la curva trattrice attorno al suo asintoto si ottiene la PSEUDOSFERA DI BELTRAMI menù

25. back TRADUZIONE Tuttavia, alcuni matematici hanno perplessità circa il ragionamento di Beltrami. Il punto più debole dell'argomentazione sta nel fatto che il modello ha valore locale e non può rappresentare globalmente la geometria non euclidea. Infatti, tra le infinite forme che una superficie pseudosferica può assumere si conosce l'espressione analitica solo di qualche caso particolare. In particolare la pseudosfera di Beltrami non è regolare e non può rappresentare interamente il piano non euclideo. menù

26. LA TRATTRICE La curva trattrice fu studiata da Huygens, si tratta di una curva di origine fisico-matematica che gode della proprietà equitangenziale, ciò significa che i segmenti di tangenza compresi tra i punti della curva e le intersezioni di questi col suo asintoto hanno lunghezza costante. L’area compresa tra la trattrice e il suo asintoto è finita. Quando la trattrice ruota lungo l’asintoto dà origine ad una pseudo-sfera, una superficie di curvatura negativa, usata da Beltrami nel 1868 nell’ambito delle geometrie non euclidee. Premesso che l’evoluta di una curva è il luogo geometrico dei centri dei suoi cerchi osculatori, otteniamo come evoluta della trattrice la curva catenaria; il rapporto tra la trattrice e la catenaria è percepibile dalle rette perpendicolari alla prima che risultano tangenti alla seconda. L’EVOLUTA della trattrice è la curva catenaria!!! menù

27. back next Clinoide • Dal greco “inclinare”, la CLINOIDE è la curva che registra l’inclinazione di qualche fenomeno • L’equazione cartesiana della curva è: • Con b=0 o con c=0 si ha una CURVA ESPONENZIALE • Con b=c=a/2 si ha una CURVA CATENARIA La catenaria è un caso particolare di clinoide menù

28. back La curva Velaria La velaria è la curva formata di profilo da un drappo rettangolare di vela sottoposta alla pressione del vento, a prescindere dalla gravità. Fu studiata per prima da Giacomo Bernoulli, che riuscì a definirla mediante un’equazione differenziale che riuscì a risolvere, scoprendo infine che la VELARIA non è altro che una CATENARIA ruotata di 90° menù

29. next La catenaria nella vita quotidiana • Sebbene la maggior parte delle volte non se ne sia consci, la catenaria è presente nella nostra vita quotidiana in numerose forme. • Fra queste citiamo brevemente: • I cavi tra i piloni dell’elettricità e quelli dei piloni della funivia, se questa si • trova ad una delle due estremità. • I cavi elettrici per la ferrovia. • Collane senza pendenti al collo delle persone. • Il profilo di una vela rettangolare, quando è completamente gonfia con il • vento perpendicolare. • PONTI sospesi: prima di venire collegate alla strada le funi assumono la • forma di una curva catenaria; una volta realizzati i punti di collegamento • esse diventano parabole (come aveva detto Galileo). Esempio: il Golden Gate • Bridge in California. • Il rivestimento della struttura del dirigibile ha la forma di una catenaria. menù

30. back La Catenaria nella vita quotidiana Il GATEWAY ARCH di ST. LOUIS Il profilo del Gateway Arch di St.Louis è una curva simmetrica della catenaria rispetto ad un asse orizzontale. Simboleggiante la “porta” aperta dal presidente Jefferson verso ovest, il Gateway Arch di St.Louis, costruito nel 1947 dall’architetto Eero Saarinen, sfrutta una particolare proprietà della catenaria: il peso della struttura viene interamente scaricato sulla tangente alla stessa e dunque sugli estremi, conferendo ulteriore stabilità all’insieme. Alta 192 metri, la struttura ha per sezione un triangolo equilatero, di grandezza decrescente verso la sommità della struttura. menù

31. next Applicazioni dell'arco catenarico in ARCHITETTURA “ In una ragnatela, a causa della loro igroscopia, i fili sono carichi di goccioline, e piegandosi sotto il peso, sono divenute altrettante catenarie. ” “La vita del ragno” di J.H. Fabre La catenaria è uno degli elementi architettonici più semplici e naturali utilizzati nell’arte. menù

32. back next Brunelleschi aveva costruito i modelli a corda blanda della Cupola di Santa Mariadel Fiore a Firenze, che sono sostanzialmente l’utilizzo della catenaria nella costruzione dei modelli di volte rovesciate. menù

33. back next Sempre a Firenze è piuttosto evidente l’applicazione della catenaria al Ponte di Santa Trìnita. menù

34. back next Un altro esempio di catenaria applicata all’architettura si trova a Londra : la Cattedrale di St. Paul. Realizzata nel XVIII sec., la cupola di questa cattedrale è una delle più mastodontiche applicazioni dell’arco di catenaria. menù

35. back Cattedrale di St. Paul di Christopher Wren a Londra. menù

36. next Nonostante le applicazioni della catenaria siano numerose, in Architettura nessuno è mai stato in grado di utilizzarla con così tanta frequenza, abilità e consapevolezza come Gaudì . Gaudì menù

37. back next Gaudì ha sempre lavorato isolato; non appartiene ad alcun movimento, o scuola, o stile, o tempo: ha sempre cercato la sua ispirazione nella Natura, in particolare in quella del Mediterraneo.Inoltre curava di persona ogni dettaglio del progetto che gli veniva assegnato, fino al compimento.Accanto alla grande capacità di osservazione, Gaudìaveva anche la qualità di privilegiare sempre l’assoluta funzionalità delle cose che realizzava. Egli riteneva che la forma più funzionale fosse anche la più bella. Mentre gli architetti hanno sempre utilizzato la geometria euclidea, in quanto “facile” da disegnare, Gaudì, utilizzando la Geometria della Natura, fatta di superfici tridimensionali composte (come il paraboloide iperbolico, l’iperboloide, il conoide, l’elicoide e l’arco catenario), diventa senza dubbio un architetto unico nel suo genere. Uno degli esempi più frequenti e più semplici dell’applicazione di questa Nuova Geometria ci viene offerto dall’ arco catenario. NOTE BIOGRAFICHE menù

38. back next Gaudì non utilizza l’arco classico, ma l’ arco catenario. Questo arco si ottiene rovesciando la catenaria e sostituendo il suo percorso con le pietre e i mattoni. La caratteristica fondamentale di quest’ arco è che la linea di pressione è uniformemente distribuita su tutta la superficie, e corrisponde esattamente con la linea della catenaria. Ciò vuol dire che con il minimo materiale si ottiene la massima resistenza. In questo senso l’arco catenario è funzionale, ma è anche piacevole, e lo è proprio in virtù della sua funzionalità e spontaneità. Gaudì utilizza l’arco catenario molto frequentemente, in ogni sua opera, e dedica ad esso anche numerosi studi. menù

39. back next Per la realizzazione della Sagrada Famiglia, Gaudì fa ampio uso dell’arco catenario, per la cui realizzazione allestisce un atelier, all’interno del cantiere stesso, il quale contiene i modelli di studio per le colonne e le volte. menù

40. back Casa Battilò Casa Milà Gaudì utilizza l’arco catenario, non solo per gli esterni, ma anche per gli interni, assieme a tutti gli altri elementi della sua geometria della natura. menù

41. next Alvaro Vieira Siza • Architetto portoghese, nacque a Matosinhos (Porto) nel 1933. Studiò alla “Escola de Belas Artes” (scuola superiore di Belle Arti) a Porto e fu allievo e collaboratore di Fernando Tavora; oggi è direttore della ricostruzione del Chiado a Lisbona. • Ha vinto numerosi premi internazionali tra cui il premio Pritzker nel 1992 e il Premio Nazionale di Architettura dall’associazione degli Architetti Portoghesi nel 1993. menù

42. back next IL PADIGLIONE DEL PORTOGALLO ALL’EXPO ‘98 A LISBONA • La Piazza Cerimoniale di fronte al padiglione è un ampio spazio coperto delimitato da due grandi portici che sostengono la copertura di cemento armato; Siza cerca di risolvere le difficoltà tecniche dovute al peso della visiera lasciando che per la forza di gravità essa assuma la forma di una catenaria. menù

43. back IL CAPANNONE VITRA A WEIL AM RHEIN (GERMANIA) 1991-1994 • Per collegare la palazzina del Campus Vitra con i fabbricati del M.I.T. (di Mies van der Rohe) Álvaro Siza realizza una pensilina, la quale, grazie ad una copertura mobile, riesce ad adattarsi alle condizioni atmosferiche. Questa copertura conserva la curvatura impressa dalla capriata che la sostiene. L’armonia dello sbalzo deriva proprio dalla congiunzione formale tra la catenaria degli sforzi, la capriata e la curva della pensilina. menù

44. L'arco di Torino ARCO E PONTE SOSPESO VERSO IL LINGOTTO INGRESSO AL VILLAGGIO OLIMPICO, TORINO • Dati tecnici: • h assoluta dell’arco: 85 m • h dell’arco in posizione inclinata: 65 m • larghezza ai piedi dell’arco: 55 m Sono stato in viaggio d’istruzione a Torino e… ho cercato catenarie ovunque! Quando sono arrivato al Lingotto ho visto apparire un lungo ponte sospeso ed un grandissimo arco rosso! CI CHIEDIAMO DUNQUE: “L’ARCO ROSSO E’ UNA CATENARIA ROVESCIATA? “ menù