Exposition Dossier pédagogique Partie : Léonard de Vinci ingénieur 1
La vie de léonard de Vinci en quelques dates VINCI 1452-1464 Naissance à Vinci en 1452 de l enfant illégitime de Ser Piero, notaire, et de Caterina. Caterina, est ensuite mariée à un homme de main de Ser Piero et le jeune Léonard sera élevé par sa grand mère et son grand père dans sa maison natale dans le hameau d Anchiano, sur une colline au dessus de Vinci. FLORENCE 1464-1482 1466 Léonard entre dans l atelier de Verrochio 1469 Patron : Laurent le Magnifique 1471 Travail de l atelier de Verrochio sur le dôme de la Cathédrale 1478 Premiers dessins de machines de guerre 1482 Léonard quitte Florence, lettre à Ludovic le More MILAN 1482-1502 Patron : Ludovic le More 1483 La vierge aux Rochers Musée du Louvre, Paris, France 1485 Réception à la cour des Sforza, Etude de la statue Equestre dédiée à Francesco Sforza Royal Library, Château de Windsor, Angleterre. Projet de ville idéale 1487 Projet de tour lanterne pour le Dôme de Milan. Caricatures, Royal Library, Château de Windsor, Angleterre 1488 Travail sur la cathédrale de Pavie, travaux sur l artillerie 1489 Projet de statue équestre géante pour les Sforza 1493-1497 Léonard élabore sa théorie des machines 1496-1498 La Cène, Couvent Santa Maria delle Grazie, Milan, Italie 1499 Entrée des Français dans Milan, Ludovic le More fait prisonnier Léonard sert le Connétable de Ligny 1502 Le condottiere César Borgia emploie Léonard comme ingénieur militaire. Léonard rencontre Machiavel 2
SECONDE PÉRIODE FLORENTINE 1503-1507 1504 Portrait de La Joconde, épouse du marchand Bartolomeo del Giocondo, Musée du Louvre, Paris, France SECONDE PÉRIODE MILANAISE 1506-1513 Patron : Charles d Amboise, 1506 puis Louis XII 1507 1512 Autoportrait, Bibliothèque royale, Turin, Italie Les Français se retirent de Milan sous la pression de la Sainte Ligue organisée par Jules II ROME 1513-1516 Léonard est accueilli à Rome par Julien II de Médicis Patrons : Julien II de Médicis puis son frère, le pape Léon X 1515 Victoire de François Ier sur les Suisses à Marignan CLOS-LUCÉ 1516-1519 1516 Patron, François Ier 1519 Visite du cardinal Louis d Aragon au Clos-Lucé 2 mai 1519 Décès à Amboise 3
Un ingénieur parmi d autres La notion floue de génie ne peut plus être utilisée aujourd hui sans précaution pour décrire l intelligence de Léonard. On doit en effet mettre en perspective l homme de Vinci avec toute une lignée d ingénieurs qui furent ses prédécesseurs en Italie du Nord. L œuvre de Léonard s inscrit effectivement dans une révolution des techniques qui prit place en Toscane entre le XIVe et le XVe siècle et qui concernait aussi bien les systèmes hydrauliques que les machines de chantier ou les engins militaires. Bien des machines de Léonard sont de fait inspirées de Mariana di Jacopo dit «Taccola» (1382-1458), de Francesco di Giorgio Martini (1439-1502) ou de Filippo Brunelleschi (1377-1466). Les besoins en eau de villes comme Sienne, les exigences en matériaux de construction ou en systèmes de transport et de levage des architectes, les demandes des condottieri en génie militaire constituaient un puissant ressort de l invention. 4
Le mythe du génie Vers 1880-1900, à l époque où l on se met à publier pour la première fois les textes scientifiques et techniques de Léonard en Italie, en Angleterre et en France, certains savants, contemporains de la seconde révolution industrielle, convaincus du pouvoir de la science, voient en Léonard une sorte de figure héroïque du positivisme. Ils le perçoivent comme une génie méconnu, en avance sur son temps, ayant anticipé les merveilleuses inventions de leur siècle :le sous-marin, le char d assaut, le shrapnel (obus explosif), l automobile et l aéroplane. Pourtant des voix s élèvent déjà, comme celle de l académicien Marcelin Berthelot, pour dire que Léonard n a pas tout inventé et que lui aussi s'était inspiré des scientifiques qui l avaient précédé. Mais ces voix parlaient ne furent pas entendues, à l époque où les philosophes comme Duhem saluaient en Léonard le génie scientifique latin se dressant contre la «barbarie allemande» ( il fallait digérer la défaite de 1871). De plus, en ces temps où l on faisait tourner les tables, l idée d un mage inspiré plaisait au grand public, comme elle plaît encore de nos jours. 5
La formation de Léonard de Vinci Le mystère de la créativité de Léonard peut partiellement être éclairé par le contexte de sa formation. Il faut d abord rappeler que Léonard est un autodidacte. Fils illégitime d un notaire, il ne put entrer à l université et apprendre le latin et le grec qui lui auraient donné un accès direct aux sciences de son temps. Mais s il avouait être un «homme sans lettre», il n était pas sans curiosité. L enfance à Vinci, au milieu de la nature, le sensibilisa aux vertus de l observation, pendant que son grand-père et son oncle lui apprenaient la lecture et l écriture. L atmosphère de Florence lorsqu il s y installa à l adolescence pour parfaire sa formation ne put que l enthousiasmer car la ville foisonnant de projets extraordinaires était un immense chantier plein de machines. C est dans ce cadre qu il choisit d entrer en apprentissage dans l atelier de Verrocchio, un peintre très connu dans la capitale toscane. Il y apprit non seulement la peinture mais encore l anatomie, la sculpture, la fonderie, la menuiserie et même probablement des rudiments de mécanique d horlogerie. 6
Les améliorations de la Renaissance et de Léonard aux machines médiévales Entre le XVe et le XVIe siècle, une triple réflexion est en train de s opérer chez les ingénieurs sur les frottements, l inertie, et les flexibles. Comprendre les problèmes liés aux frottements était fondamental compte tenu du fait que la plupart des machines était en bois et cassait facilement. Léonard s attaqua donc à la question comme le prouvent ses dessins de roulements à billes ou de coussinets à trois sphères. L architecte Brunelleschi (le constructeur du Dôme de Florence) avait déjà imaginé avant lui de remplacer des dents d engrenages en bois par des cylindres rotatifs cuirassés de bronze. 7
Les engrenages : Renvoi d angle Transmission du mouvement : Ce système d engrenage est appelé renvoi d angle Il permet de démultiplier les efforts Il réalise également une réduction vitesse Contexte historique : L engrenage est parallèlement né avec les Grecs au Vème siècle avant J-C. La Renaissance ne fait que le perfectionner Francesco di Giorgio, Brunelleschi et surtout Léonard de Vinci furent les maitres de cet approfondissement. Engrenages à rochets : La difficulté était en fait de limiter les frottements et l usure. Au XVe siècle, les engrenages rochets (cages cylindriques de bâtons disposés en cercle) furent relativement répandus au XVe et XVIe siècles car ils étaient faciles à usiner et solides. Principe de fonctionnement : Par l intermédiaire de la manivelle, le Pignon est mis en rotation Celui-ci entraîne la roue L axe du pignon est perpendiculaire à l axe de la roue Le pignon tourne plus vite que la roue. Evolution du système : En associant au pignon et à la roue un autre système mécanique le cliquet et la roue à rochet( roue à dents avec arrêt escamotable), nous avons une autre machine : Machine à treuil : Un pignon peut tourner en étant commandé par deux roues Les deux roues sont inversées, il convient donc d inverse le sens de rotation, pour entrainer le même pignon Le mouvement alternatif du bras réalise cette fonction 8
Deux principes = une machine L utilisation de la roue à rochet et du cliquet permet d inverser alternativement la rotation des deux roues, tout en retenant la charge. L application d antan : Les moulins la lanterne et le rouet Aujourd hui : Les engrenages à axes concourants ont aujourd hui des roues en forme conique Les dentures sont en général droites Leur calcul, plus complexe ne fait pas référence à des cylindres mais à des cônes. Les dents une largeur correspondant à une partie seulement du cône. On les utilise là où il faut impérativement voyer un mouvement selon un angle très fermé Exemples actuels : Volet roulant Rideaux de fer des magasins Mécanisme des moulins 9
Les engrenages : roue et vis sans fin Transmission du mouvement : Ce système d engrenage est appelé roue et vis sans fin Il permet de démultiplier les efforts Il réalise également une réduction vitesse Contexte historique : Antiquité La vis d Archimède était utilisée dans l Antiquité pour les machines de mines (afin d assécher les puits notamment) puis aussi, chez les Romains pour divers types de pressoirs Vitruve consacre d ailleurs plusieurs pages à la vis et elle se trouve aussi représentée sur les murs de Pompeï Moyen Age Au début du XVe siècle, l instrument est encore utilisé en Hollande, adapté à des moulins pour pomper l eau des basses terres. Renaissance Parallèlement, les ingénieurs de la même époque (Di Giorgio, Léonard de Vinci ) commencent à combiner la vis à engrenages. Un char automobile de Di Giorgio Martini, par exemple, est actionné par des cabestans, un renvoi d angle et une vis sans fin. De façon contemporaine, le principe vis-écrou est également mis à profit dans les vérins et dans les grues. Principe de fonctionnement : Par l intermédiaire de la manivelle, le vis est mise en rotation Celle-ci entraîne la roue L axe de la vis est perpendiculaire à l axe de la roue La vis tourne plus vite que la roue. Comment soulever facilement une charge? Le mouvement de rotation de la vis autour des axes provoque le déplacement des flancs et ses filets. En engrenant avec les dents de la roue, dont l axe est orthogonal à la vis, ils vont entraîner la rotation de cette roue. Réversibilité du système: La rotation de la vis entraîne celle de la roue, et réciproquement. 10
La vis d archimède La vis d'archimède, parfois aussi escargot, voire abusivement appelée vis sans fin, est un dispositif qu'archimède aurait mis au point lors d'un voyage en Égypte, permettant aux habitants du bord du Nil d'arroser leurs terrains. Léonard fut toute sa vie fasciné par la vis d Archimède. Déjà dans l Antiquité, ce dispositif paradoxal qui fait monter une chose tout en ayant l air de se déplacer vers le bas (tout utilisateur de tire-bouchon connaît le phénomène!) était l objet d un débat : s agissait-il d une machine simple? Au XVIe siècle, Léonard démontre que la vis peut être assimilée à un ou deux plans inclinés enroulés autour d un cylindre et qu on peut mesurer sa force. Il utilise par ailleurs son principe dans un grand nombre de machines telles les grues, les cylindres élévateurs d eau, l engin pour battre les feuilles d or ou encore l hélicoptère (qui n est rien d autre qu une vis qui s enfonce dans l air, milieu résistant). Vis d'archimède utilisée pour pomper de l'eau Le premier type de vis d'archimède est une machine élévatoire fonctionnant à pression atmosphérique. On la trouve généralement en entrée de station d épuration ou dans des postes de drainage de terres agricoles (par exemple aux Pays bas dans les polders). C'est la forme spécifique du rotor qui fait que le liquide remonte le long de la vis. Physiquement les paramètres majeurs d'influence sont le diamètre extérieur, le pas des spires, le nombre de spires, l'angle d'inclinaison et la vitesse de rotation. Aujourd'hui Vis d'archimède utilisée pour pomper l'eau des polders, à Kinderdijk, aux Pays-Bas Elle est encore utilisée dans de nombreuses applications un peu partout dans le monde, pour déplacer (généralement en les hissant) des liquides (pompage d'eau souterraine) ou de matières en poudre ou en grain (silos). Les mécaniciens grecs nous indiquent l'utilisation d'un module pour définir les différentes dimensions de la vis. 11
Le parachute Le parachute inventé par Léonard de Vinci était fait avec une toile qui ne laissait passer ni l eau ni l air. Son parachute avait la forme d une pyramide. Il mesurait environ sept mètres de haut sur sept mètres de large. On devait tenir les cordes du parachute. Les parachutes actuels sont faits avec une toile de nylon ou de soie d un diamètre d environ 7,5 mètres. Explication a développer avec les élèves: l air est bloqué dans le parachute ce qui ralentit la descente du parachute et du parachutiste Expérimentation possible en Classe: Réalisation d un parachute miniature à lancer depuis un point en hauteur. 12
La grue Cette grue pouvait être utilisée dans une carrière pour déplacer des blocs de pierre mais aussi lors de la construction d édifices importants. Son mât était haubané. La levée de la charge s effectuait en faisant tourner le treuil situé au bas du mât à l aide de la manivelle. La grue pouvait pivoter et se déplacer grâce à un chariot situé à sa base. Les marches le long du mât permettaient au grutier de monter plus facilement en haut de la grue. Même si les grues ont considérablement évolué depuis, l architecture générale a partiellement été conservée. Ce type de grue presque tout en bois existait encore au début des années 1900 dans beaucoup de carrières. 13
Le cric Cric à pignon et crémaillère muni d'une manivelle qu'il faut faire tourner pour soulever une charge. Un cliquet ou rochet empêche l'inversion du mouvement et la redescente de la charge. C'est le plus ancien exemple, dont Léonard de Vinci nous a laissé un schéma dans son "Codex Atlanticus f.259r" au 16 e siècle. CRIC A CREMAILLERE Il est intéressant de constater que deux grands principes de la mécanique sont utilisés dans la réalisation de ce cric. Le premier concerne la transformation d'un mouvement circulaire en mouvement de translation grâce à la crémaillère. Le second utilise le principe de la démultiplication due à l'utilisation de pignons à nombre de dents différents: ce qui permet en n'utilisant que la force de l'homme de lever une charge de plusieurs centaines de kilogrammes. 14