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L’equazione che non deve tremare

Un’equazione scritta nel Settecento per una corda di violino oggi decide se un edificio sopravvive a un terremoto: da Chladni a Taipei 101, fino ai muri di tufo napoletani.

L’equazione che non deve tremare

Il bicchiere sul comodino trema prima che il cervello capisca perché. Succede in una frazione di secondo, a Napoli, più spesso di quanto si racconti in giro: un tintinnio di vetro, un lampadario che disegna un piccolo arco nell’aria, e poi quel silenzio innaturale che segue ogni scossa. È un’esperienza fisica, quasi animale. Eppure dietro quel tremore c’è una riga di matematica scritta quasi tre secoli fa da un uomo che pensava a tutt’altro.

Jean le Rond d’Alembert la mise per iscritto nel 1747, a Parigi, per descrivere come vibra una corda tesa — quella di un violino, di un’arpa. Non pensava a edifici, a terremoti, a città. Il suo problema era acustico: come si propaga un movimento lungo una linea elastica fissata alle due estremità. Eppure quell’equazione — ripresa e discussa per anni da Eulero e da Daniel Bernoulli, poi tradotta in tre dimensioni — è diventata lo strumento con cui, oggi, un ingegnere calcola come un solaio, un pilastro, un intero edificio rispondono a un’onda che attraversa il terreno. Il matematico inglese Ian Stewart la inserisce tra le diciassette equazioni che, a suo giudizio, hanno cambiato il mondo, accanto al teorema di Pitagora e alle leggi di Newton: chi ama la matematica pura la cita per la sua eleganza, chi progetta in zona sismica la usa ogni giorno per calcolare quanto un edificio deve piegarsi senza spezzarsi, e i due gruppi, quasi sempre, si ignorano.

Ritratto di Jean le Rond d'Alembert, 1777
Jean le Rond d’Alembert, ritratto di Catherine Lusurier (1777), Musée Carnavalet. Dominio pubblico, via Wikimedia Commons

C’è un modo per vedere quell’equazione senza fare un calcolo. Nel 1787 un fisico tedesco, Ernst Chladni, cosparse di sabbia una lastra metallica e la fece vibrare passandoci sopra un archetto da violino. La sabbia, respinta dai punti in movimento, si accumulava lungo le linee che restavano ferme — i nodi dell’onda — disegnando figure geometriche precise, simmetriche, quasi ornamentali. Chladni non stava facendo arte: stava rendendo visibile una soluzione dell’equazione di d’Alembert, un secolo prima che qualcuno pensasse di applicarla a un edificio. Guardare oggi quelle figure fa un effetto strano a chi progetta case: sembra di vedere, disegnata su un piatto di metallo, la stessa logica che un ingegnere strutturale visualizza al computer quando modella come una struttura si deforma sotto un sisma — gli stessi nodi, gli stessi ventri, la stessa geometria che nasce dal nulla per il solo fatto che qualcosa vibra.

A Taipei quella logica ha preso la forma di una sfera d’acciaio di 660 tonnellate, sospesa a metà altezza della torre 101 con novantadue cavi lunghi quarantadue metri l’uno. Quando il vento o un sisma spingono l’edificio da un lato, la sfera resta indietro per inerzia e comincia a oscillare in controfase rispetto alla struttura: il suo peso morto diventa un peso vivo, che sottrae energia al movimento della torre invece di limitarsi a subirlo. È la stessa equazione di d’Alembert, applicata alla rovescia: non basta calcolare come vibra un edificio, bisogna costruirci dentro qualcosa che vibri apposta, e in direzione opposta.

Tuned mass damper di Taipei 101
Il tuned mass damper di Taipei 101: sfera d’acciaio da 660 tonnellate sospesa tra l’87° e il 92° piano. Foto: Armand du Plessis, CC BY 3.0, via Wikimedia Commons

A Pasadena, in California, il municipio — costruito nel 1927, in uno stile beaux-arts che più lontano da una torre asiatica di vetro non potrebbe essere — è stato sollevato dalle sue fondazioni negli anni duemila per infilare sotto le colonne isolatori a pendolo scorrevole, che lasciano alla base dell’edificio la libertà di muoversi rispetto al terreno durante un sisma invece di seguirlo rigidamente. La scossa, così, arriva più lenta e più lunga di quanto partirebbe dal suolo: cambia frequenza prima ancora di raggiungere i piani alti. Due soluzioni opposte — una sposta la massa in cima, l’altra libera la base — ma la stessa domanda dietro entrambe: dove si fa portare l’energia di un’onda, quando non vogliamo che arrivi fino in cima.

Isolatore sismico sotto una colonna di Pasadena City Hall
Isolatore sismico installato durante il retrofit di Pasadena City Hall (1927), California. Foto: Keithalanporter, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Nei miei cantieri lavoro quasi sempre su edifici che quell’equazione non l’hanno mai vista scritta da nessuna parte. Palazzi del Sette e dell’Ottocento, muri di tufo e di pietra lavica, murature che hanno attraversato secoli di sismi napoletani senza calcoli, per tentativi ed errori tramandati di mano in mano — spessori aumentati dopo ogni crollo, catene metalliche inserite quando qualcuno ha visto una parete allontanarsi da un’altra. È un sapere empirico che somiglia più a Chladni che a d’Alembert: non conosce l’equazione, ma ne ha visto ripetutamente la figura, e ha imparato col tempo a disegnarla nella pietra. Quando oggi si interviene su queste case — un cordolo, un tirante, un rinforzo nascosto sotto un solaio — si sta in realtà scrivendo, in un linguaggio molto meno elegante di quello di d’Alembert, la stessa equazione: dare al muro un modo di rispondere all’onda che non sia semplicemente rompersi.

Mi resta la sensazione, ogni volta che chiudo un cantiere in una casa del centro storico, che il progetto vero non sia mai quello che si vede: sta in quello che l’edificio farà la prima volta che il terreno si muoverà sul serio, quando nessuno sarà lì a guardarlo. Un’equazione può restare nascosta per due secoli dentro una corda di violino, prima che qualcuno scopra a cosa serviva davvero. Chissà quante altre ne stiamo scrivendo oggi, senza saperlo, dentro le case che costruiamo.

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