Recreación virtual en CATIA V5 R20 del automóvil de Leonardo da Vinci

CAPÍTULO I. LEONARDO DA VINCI CARÁCTER Y PERSONALIDAD Leonardo da Vinci nació en abril de 1452 en un pueblo de la Toscana italiana cercano a Florencia y murió en mayo de 1519 en Amboise, ciudad medieval de la región central francesa. Fue un hombre de gran atractivo personal, amabilidad y generosidad, lo que hizo que en general fuese bien querido por sus contemporáneos. Es conocido principalmente por ser un pintor extraordinario, creador de celebérrimas obras como La Última Cena o La Gioconda. De su faceta como artista también es sabido que fue

Figura 1. Autorretrato de Leonardo da Vinci

escultor, músico e incluso poeta. Sin embargo, afortunadamente para la comunidad científica, parece que el arte no llenaba lo suficiente la prodigiosa mente de Leonardo, y fruto de su amor a la naturaleza, surgió en él un especial interés por conocer y estudiar los extraordinarios fenómenos que ésta le regalaba día tras día. De hecho únicamente admitió como verdaderos métodos científicos la observación de la naturaleza y la experimentación. Si Leonardo es conocido hoy como uno de los mejores inventores de todos los tiempos, en gran medida es porque la naturaleza no sólo era su principal fuente de inspiración, sino que además la utilizaba como fuente de energía para la mayoría de sus inventos. Para continuar destacando la ilimitada polivalencia de Leonardo, debemos recalcar que su actividad fue vasta y admirable en todos los campos del saber. De la ingeniería a la arquitectura, de las matemáticas a la física, de la biología a la anatomía.

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Recreación virtual en CATIA V5 R20 del automóvil de Leonardo da Vinci Desde el siglo XVI hasta nuestros días se ha estudiado, analizado y escrito mucho sobre Leonardo da Vinci. De hecho, al disponer de tanta información, parecía sencillo llegar a conocerlo bien. Sin embargo, tras ojear varios libros y artículos relacionados con él, el lector percibe la sensación de que cuanto más lee más se aleja de la verdad de Leonardo, convirtiéndolo en un personaje tremendamente enigmático. Resulta sorprendente la cantidad de opiniones dispares y contrapuestas que podemos encontrar en relación a la vida, personalidad, obras, inventos y proyectos de este genio. En lo que sí coinciden casi todos los autores que han escrito sobre él, es en su carácter inconformista, perfeccionista e inestable. Empezaba muchas cosas y después las abandonaba. Desde el siglo XIX, la crítica ha dado su explicación a este fenómeno: la misión de Leonardo era conocer la naturaleza y por eso trató de penetrar sus secretos y teorizar sus leyes relativas. Y así fue como en 1499 dejó los pinceles en manos de sus discípulos y se sumó a los científicos, impulsado por el deseo de resolver los infinitos problemas planteados por la naturaleza. El fin supremo de Leonardo era alcanzar la máxima claridad con la mayor concisión. La sencillez y la intensidad expresiva fueron su norma tanto en la pintura como en las demostraciones científicas, proyectos y escritos. La precisión de su lenguaje es fruto de la precisión de su pensamiento. No escribió tratados metodológicos, pero en sus cuadernos de apuntes dejó esparcidas sus ideas. Actualmente, los dibujos y manuscritos de Leonardo da Vinci están divididos en diez códigos, que se conservan en distintos museos de Londres, Milán, Turín, París y Madrid, así como una colección particular del magnate Bill Gates. Leonardo fue un científico del arte, precisamente por su extraordinario modo de expresarlo, por su modo de abordarlo y representarlo, como un artista de la ciencia. Se puede decir que artista y científico se funden indisolublemente en su persona y esto es precisamente lo que le hace único. LEONARDO Y LA CIENCIA El escritor e historiador italiano Benedetto Croce (1856-1952) dejó escritas las siguientes palabras referidas a Leonardo: Casi parece que toda la ciencia moderna haya nacido en él y que éste la entregó a los siglos venideros en un grandioso boceto.

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Recreación virtual en CATIA V5 R20 del automóvil de Leonardo da Vinci Y es que en su faceta como científico, Leonardo llegó a intuir leyes y fenómenos que no se codificaron hasta tiempo después. Por ejemplo, intuyó lo que más tarde serían las leyes de la física, como el principio de reciprocidad dinámica (tanta resistencia ofrece un cuerpo contra el aire, como el aire contra ese cuerpo, y tanta fuerza hace el remo para mover el agua inmóvil, como el agua para mover el remo inmóvil). Realizó numerosos experimentos sobre las leyes de rozamiento utilizando superficies planas similares a las que usó, tres siglos después, Charles Augustine de Coulomb. Leonardo enunció los principios fundamentales de la hidrodinámica, en concreto el principio que dice que la velocidad de una corriente aumenta con la pendiente y disminuye con la resistencia y la tortuosidad del cauce; y que, a igual pendiente y profundidad del agua, el caudal de un río es proporcional al ancho del cauce. En el campo aeronáutico no sólo no tuvo predecesor alguno sino que además, durante mucho tiempo después de él, nadie llegó a sus importantes resultados, como son el análisis del vuelo de los pájaros y el estudio de los planeadores. Sin duda alguna podríamos continuar analizando numerosas conclusiones, leyes y estudios de Leonardo en el ámbito de la ciencia. Sin embargo, para no perder de vista el objetivo de este Proyecto, consideramos que esta breve introducción es suficiente para dejar constancia de que fue uno de los científicos más destacados de su época y de la historia de la humanidad. LEONARDO Y LA INGENIERÍA En los albores del siglo XV, tras varios siglos de discriminación, los ingenieros manifestaron su ambición por convertirse en autores de tratados compuestos de textos e imágenes. La antigua tradición técnica se había documentado con textos rara vez acompañados de imágenes; pero una de las innovaciones más importantes del siglo XV fue recurrir al dibujo como instrumento de demostración y comunicación. En el transcurso de pocos decenios se definieron las convenciones gráficas necesarias para visualizar máquinas y sugerir sus prestaciones. En este arte de describir las máquinas, Leonardo dejó una huella indeleble: liberó el dibujo de los vínculos que lo ataban a las artes figurativas, y lo transformó en un instrumento de estudio técnico-científico. Al observar un dibujo de Leonardo podríamos llegar a pensar que cada mecanismo es una invención suya. Pero naturalmente no fue así. Leonardo fue un

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Recreación virtual en CATIA V5 R20 del automóvil de Leonardo da Vinci estudioso de los descubrimientos anteriores a él, hizo uso de ellos, y en muchos casos los mejoró. Lo que distinguió a Leonardo de sus predecesores es que él primero analizaba todos los detalles de la máquina hasta comprender a fondo la función de cada uno de ellos, facilitando así la invención de nuevas aplicaciones y mecanismos. Con anterioridad a él, la máquina era concebida según la definición aristotélica: cada una de las piezas formaban parte del conjunto y no se separaban ni se analizaban. El principal problema al que tuvo que enfrentarse Leonardo para dar vida a sus máquinas fue el de la fuente de energía. Es posible que uno de los motivos por los que seccionaba cadáveres fuese precisamente su deseo de comprender los mecanismos y el funcionamiento de la máquina más maravillosa de todas: el cuerpo humano. Representó los músculos a través de líneas de fuerza, las extremidades como palancas y las articulaciones como ejes. Y finalmente, llegó a la conclusión de que la fuerza (o energía) es algo espiritual y que por tanto no es posible reproducirla en los objetos inanimados de igual manera a como se desarrolla en el cuerpo humano. La fuerza no es otra cosa que una virtud espiritual, una potencia invisible que crean e infunden los cuerpos sensibles en los insensibles, dando a estos últimos cuerpos apariencia de vida. Entonces, Leonardo recurrió a las fuerzas de la naturaleza. En algunas máquinas previó usar la fuerza de brazos y pies del hombre, mientras que en otras usó la fuerza de los animales. Y también estaban los fluidos (aire y agua), que aprovechó en muchos de sus inventos. Llegó a estudiar la fuerza expansiva del vapor. Su asador automático es un ejemplo del empleo del aire caliente como fuerza motriz de un mecanismo en hélice (donde se genera una llama se genera viento). LEONARDO Y LA MECÁNICA En 1964, en la Biblioteca Nacional de Madrid se encontraron dos manuscritos de Leonardo cuyo valor histórico-cultural es incalculable. Los dos códices (Madrid I y Madrid II), presentan casi setecientas páginas de nuevos proyectos y escritos relacionados con temas como arquitectura, geometría, mecánica o navegación. El Códice Madrid I puede definirse como el primer y más completo tratado de la mecánica renacentista. No hay comparación posible con la capacidad gráficodescriptiva e ingenieril de los contemporáneos de Leonardo, que parecen medievales

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Recreación virtual en CATIA V5 R20 del automóvil de Leonardo da Vinci con respecto a los dibujos del maestro. El cuidado de la paginación de las hojas y de los dibujos técnico-mecánicos presupone que Leonardo encuadernó esta obra pensando en una posible publicación. Probablemente, si Leonardo lo hubiese terminado, habría dado tal impulso al desarrollo de la mecánica como para hacer que se adelantase al menos un siglo. Pero por desgracia nada del Leonardo científico fue publicado ni adecuadamente estudiado hasta finales del s. XIX. En el Códice Madrid I, Leonardo dibujó y estudió numerosos mecanismos para obtener distintos tipos de movimiento: alterno, oscilante e incluso movimientos programados. Sus dibujos son extremadamente claros y completos, y contienen estudios sobre los conceptos en los que se basa toda la mecánica moderna, es decir, las máquinas simples. Estas máquinas simples no deben ser consideradas las máquinas de Leonardo, que son mucho más complejas y tienen fines concretos, como por ejemplo, volar, combatir, excavar, producir o transportar objetos pesados. Sin embargo, Leonardo quiso demostrar que utilizando y combinando entre ellos estos sistemas mecánicos sencillos, se pueden obtener todas las máquinas que se quiera. A continuación se incluye una secuencia con las máquinas simples de Leonardo, que sirven de base para poder interpretar correctamente los mecanismos compuestos. Plano inclinado (Códice Madrid I, f. 64v) El plano inclinado aprovecha el peso de un objeto que se desliza o rueda sobre él para trasladarlo por acción de la gravedad. Palanca (Códice Madrid I, f. 23r) El instrumento mecánico por excelencia para elevar un peso es la palanca. Está formada por un eje rígido que se apoya en un punto de rotación. La fuerza aplicada en un extremo se transmite al otro con intensidad proporcional a la distancia con el punto de apoyo. La balanza es una palanca con el punto de apoyo en el centro del sistema.

Figura 2. Plano inclinado

Figura 3. Palanca

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Recreación virtual en CATIA V5 R20 del automóvil de Leonardo da Vinci Polea/Garrucha (Códice Madrid I, f. 71r) Las poleas, simples y compuestas, sirven para elevar pesos. Se utilizan para dirigir la fuerza de tiro de una cuerda en el sentido inverso a la fuerza de tracción.

Eje (Códice Madrid I, f. 13r) El concepto de eje y rueda es el ‘centro’ de todos los engranajes. Un eje apoyado en una cavidad circular consigue girar mientras mantiene su posición.

Figura 5. Eje

Figura 4. Polea/Garrucha

Juntas (Códice Madrid I, f. 62r) Las juntas sirven para unir mecánicamente dos extremos. Leonardo diseñó muchos tipos y sugirió formas variadas

y

algunas

técnicas

de

tratamiento con cera y aceite para realizar una junta perfecta en madera que una vez encajada no se pudiera sacar nunca más.

Figura 6. Juntas

Articulaciones (Códice Madrid I, f. 100v) Su concepto se basa en el uso del perno/eje: cada perno tiene un grado de libertad de rotación. Innovadora y sorprendente es la articulación esférica que imita la articulación de los huesos humanos con una amplia libertad de movimiento.

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Recreación virtual en CATIA V5 R20 del automóvil de Leonardo da Vinci Cadenas (Códice Madrid I, f. 10r) La cadena es un conjunto de elementos metálicos unidos entre sí mediante pernos. Es erróneo querer encontrar aquí la prueba de la invención de la bicicleta de pedales con cadena, porque Leonardo dibujó sólo sistemas con cadena verticales para elevar pesos.

Figura 7. Articulaciones

Figura 8. Cadenas

Leva (Códice Madrid I, f. 6v) La leva es un dispositivo formado por una rueda con perfil irregular o con añadidos que crean el perfil deseado. La rueda irregular empuja o desplaza con su borde una polea y la obliga a realizar un determinado movimiento siguiendo su perfil. Tornillo (Códice Madrid I, f. 86v) Leonardo analizó matemática y geométricamente el tornillo y lo describió como un plano inclinado enrollado en torno a un eje. Un trozo de tornillo puede usarse para engranar una rueda dentada y en este caso toma el nombre de tornillo sin fin.

Figura 9. Leva

Figura 10. Tornillo

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Recreación virtual en CATIA V5 R20 del automóvil de Leonardo da Vinci Cuña (Códice Madrid I, f. 47r) La cuña es un objeto con forma piramidal que penetra en un surco o entre dos paredes y provoca su separación. La energía de impacto proporcionada por un batiente sobre la cabeza de la cuña se distribuye en dirección a las paredes.

Figura 11. Cuña

Péndulo (Códice Madrid I, f. 61v) Leonardo estudió sus efectos y lo aplicó como motor en numerosos aparatos, tanto en los que servían para medir el tiempo como en molinos y otros mecanismos, utilizando la propiedad de que el tiempo de oscilación es proporcional al largo del hilo e independiente del peso y del arco de oscilación. Engranajes dentados (Códice Madrid I, f. 5r) Leonardo abordó el concepto de transmisión del movimiento por medio de engranajes dentados. Estudió en profundidad los problemas de resistencia y rendimiento de estos emparejamientos cinemáticos, así como la interacción de los dientes entre dos ruedas de distinto tamaño.

Figura 12. Engranajes dentados

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Recreación virtual en CATIA V5 R20 del automóvil de Leonardo da Vinci Engranajes tipo jaula, de rodillo o linterna (Códice Madrid I, f. 13r) Leonardo empleó con frecuencia este tipo de engranajes para transmitir el movimiento entre ejes perpendiculares. El piñón consta de dos discos paralelos, los cuales encierran alrededor de un perno unos barrotes cilíndricos que engranan con las espigas de la rueda corona.

Figura 13. Engranaje tipo jaula, de rodillo o linterna

Frenos (Códice Madrid I, f. 117r) Para frenar un mecanismo de engranajes, Leonardo usó con frecuencia una polea que, encastrada contra una rueda de dientes inclinados, la bloquea permitiéndole girar en la otra dirección. Este freno se utiliza con frecuencia en sistemas de bloqueo y en la carga de ballestas.

Figura 14. Freno

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Recreación virtual en CATIA V5 R20 del automóvil de Leonardo da Vinci Muelle (Códice Madrid I, f. 84r) El muelle es un trozo de metal largo, elástico, enrollado muchas veces en espiral en torno a un eje. Si se gira el eje, la banda metálica se comporta como un acumulador de energía elástica que se descarga cuando el eje vuelve a la posición inicial. La principal característica de los muelles es que la energía elástica acumulada es máxima al inicio de la distensión y mucho más débil al final de ella. Los muelles en espiral restituyen una fuerza circular, los demás muelles restituyen una fuerza en la dirección opuesta a la de la acumulación.

Figura 15. Muelle

Biela-manivela (Códice Madrid I, f. 28v) Se utiliza para transformar el movimiento circular en lineal alterno. A una rueda se le aplica una manivela en cuyo extremo hay una biela. La biela es un sistema compuesto por dos barras unidas por pernos. La barra final de la biela se mueve en una única dirección al recibir el empuje y la tracción de la manivela unida.

Figura 16. Biela-manivela

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Recreación virtual en CATIA V5 R20 del automóvil de Leonardo da Vinci LEONARDO Y LOS MEDIOS DE TRANSPORTE Los medios de transporte existentes entre finales del s. XV y comienzos del XVI eran muy diferentes a los que conocemos hoy en día. A continuación analizaremos escuetamente el grado de avance tecnológico de los distintos medios de transporte durante la época en que vivió Leonardo. Por tierra, los caballos eran los medios más eficaces y veloces, o en su defecto, los bueyes y los burros. Para el transporte de personas y mercancías, estos animales podían remolcar desde humildes carromatos hasta lujosos carruajes. Por raíles, existían unos carritos sin motor que se utilizaban sobre todo en las minas y se trasladaban siguiendo carriles de madera o simplemente unas hendiduras excavadas en el suelo; destacar que la locomotora de vapor surgirá más de doscientos años después de la muerte de Leonardo. Por otro lado tenemos los medios de transporte marítimos, que sin lugar a duda eran los que hasta ese momento habían experimentado mayor auge y grado de desarrollo, debido a que resultaban imprescindibles para el comercio y los conflictos bélicos; existía una amplia variedad de barcos, desde carracas a galeras, carabelas o galeones. Por último, los medios de transporte aéreos aún no habían sido desarrollados en la época de Leonardo; habrá que esperar hasta el s. XVIII para la aparición del globo aerostático o incluso hasta el s. XX para la llegada del avión o el helicóptero. Como gran inventor y magnífico ingeniero que era, Leonardo se interesó por todos y cada uno de los distintos tipos de medios de transporte, tanto los terrestres como los marítimos sin olvidarse de los aéreos, hasta entonces inexplorados. Los defensores más fervientes de Leonardo mantienen que fue él quien inventó el helicóptero y los más comedidos prefieren indicar que intuyó el principio por el que éstos se elevan. Pero desde luego, llámese helicóptero o tornillo volador, de lo que no cabe duda es que diseñó el primer rotor helicoidal. Y si este aparato no pudo volar, es porque se vio limitado por el tipo de propulsión disponible en aquella época. Además estudió los planeadores, se construyó unas alas para volar y, en previsión de que alguno de los inventos anteriores fracasara, inventó también un paracaídas.

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Figura 17. Rotor helicoidal (conocido como helicóptero de Leonardo o tornillo volador)

Figura 18. Planeador

Figura 19. Paracaídas

En cuanto a los medios acuáticos, diseñó un barco de palas que, utilizando un sistema de engranajes intermedio, transmitía la fuerza aplicada sobre unos pedales hasta unas palas giratorias que movían el agua e impulsaban el barco.

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Figura 20. Modelo del barco de palas diseñado por Leonardo

Por otro lado, en muchos de los proyectos de Leonardo encontramos indicios de que diseñó algunos carros y medios de transporte terrestres, además de los carros de siega y los de guerra. Claro está que en aquella época no existía la posibilidad ni la necesidad de construir un automóvil como lo concebimos hoy en día; el problema, en cambio, era el transporte de objetos pesados, tales como cañones, campanas, o columnas, de modo que la finalidad de los carros de Leonardo era transportar este tipo de objetos, y no personas, como a priori se podría imaginar. En uno de sus manuscritos, Leonardo dejó esbozado un proyecto de carro para el transporte y levantamiento de objetos pesados. Las indicaciones que dio acerca de este proyecto son escasas, lo que da lugar a multitud de conjeturas sobre su funcionamiento. El sistema propuesto consiste en un cabestrante piramidal móvil gracias a la transmisión entre engranajes. El movimiento final es lento pero de gran fuerza multiplicada que, a través de la polea superior, consigue elevar sin dificultad objetos tremendamente pesados. Es probable que esta máquina fuese de difícil construcción y de eficacia dudosa, pero es importante hacer notar la continua búsqueda que llevó a cabo Leonardo de mecanismos que, aprovechando los conceptos de mecánica, ayudasen a las personas en los trabajos pesados. También estudió diversos mecanismos para controlar la dirección de los carros.

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Figura 21. Cabestrante piramidal móvil para el levantamiento de objetos pesados

Figura 22. Otros mecanismos diseñados para el transporte de objetos pesados

Figura 23. Sistemas de dirección

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Recreación virtual en CATIA V5 R20 del automóvil de Leonardo da Vinci EL AUTOMÓVIL DE LEONARDO Tras comprender cuáles y cuántos medios de transporte diseñó Leonardo y la finalidad que tenían, nos detendremos en la hoja 812r del Códice Atlántico, en la que encontramos un proyecto totalmente diferente a los medios de transporte presentados hasta ahora. Consiste en un objeto que se mueve sobre ruedas y que está dotado de engranajes y muelles que lo hacen automático. Nos planteamos entonces si es posible hablar de un “auto-móvil”.

Figura 24. Único boceto del automóvil de Leonardo. Hoja 812r del Códice Atlántico

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Recreación virtual en CATIA V5 R20 del automóvil de Leonardo da Vinci Muchos historiadores y científicos han sido los que se han enfrentado a esta enigmática hoja del Códice Atlántico y la han estudiado en profundidad: Calvi, Canestrini, Galluzzi, Marinoni, Pedretti, Rosheim, Semenza, Taddei, Uccelli y Zanon, son tan sólo algunos ejemplos. Tras analizar minuciosamente cada una de las partes que componen este invento de Leonardo, cada uno de los autores anteriores obtiene sus propias conclusiones, debatiendo, cuestionando y aportando nuevas interpretaciones sobre el posible funcionamiento del mismo. En consecuencia, encontramos opiniones dispares y en muchos casos contrapuestas; desde los que opinan que efectivamente se trata del primer automóvil, hasta los que van más allá y lo definen como un robot autómata con movimiento programable. Canestrini, en cambio, apuntó que este artilugio presentaba dificultades insalvables y que nunca podría funcionar. Aún así, admitió que el diseño resultaba tremendamente novedoso y decidió construir un modelo hecho en madera y metal que se conserva en Amboise (Francia).

Figura 25. Reconstrucción del modelo de Canestrini

En definitiva, por lo novedoso que resulta para su época, por las innumerables alternativas que ofrece y, sobre todo, por la posibilidad de elaborar un modelo tridimensional viable y de complejidad considerable, hemos elegido este invento de Leonardo para desarrollar este Proyecto. Como ya se ha comentado, las escasas indicaciones que dio Leonardo sobre su funcionamiento, han dado lugar a numerosas conjeturas a lo largo de la historia y, por ello, a pesar de tratarse de un mecanismo bastante complejo, nos ofrecerá bastantes posibilidades a la hora de simplificar, parametrizar y, en definitiva, elaborar un modelo del nivel esperado para un Proyecto Fin de Carrera como éste.

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