En 1502 après JC, Le sultan Bayezid II a envoyé l'équivalent Renaissance d'un appel d'offres du gouvernement (demande de propositions), à la recherche d'un projet de pont pour relier Istanbul à sa ville voisine Galata. Léonard de Vinci, déjà un artiste et inventeur bien connu, est venu avec un nouveau design de pont qu'il a décrit dans une lettre au sultan et esquissé dans un petit dessin dans son carnet.

Il n'a pas obtenu le poste. Mais 500 ans après sa mort, la conception de ce qui aurait été le plus long pont au monde de son époque a intrigué les chercheurs du MIT, qui se demandait à quel point le concept de Leonardo était réfléchi et s'il aurait vraiment fonctionné.

Alerte spoiler :Leonardo savait ce qu'il faisait.

Pour étudier la question, récente étudiante diplômée Karly Bast MEng '19, travaillant avec le professeur d'architecture et de génie civil et environnemental John Ochsendorf et Michelle Xie, premier cycle, abordé le problème en analysant les documents disponibles, les matériaux et méthodes de construction possibles qui étaient disponibles à l'époque, et les conditions géologiques du site proposé, qui était un estuaire appelé la Corne d'Or. Finalement, l'équipe a construit un modèle à l'échelle détaillé pour tester la capacité de la structure à se tenir debout et à supporter le poids, et même de résister au tassement de ses fondations.

Les résultats de l'étude ont été présentés à Barcelone cette semaine lors de la conférence de l'International Association for Shell and Spatial Structures. Ils seront également présentés dans une conférence à Draper à Cambridge, Massachusetts, plus tard ce mois-ci et dans un épisode de l'émission PBS NOVA, diffusé le 13 novembre.

Une arche aplatie

Au temps de Léonard, la plupart des supports de ponts en maçonnerie ont été réalisés sous la forme d'arcs en plein cintre conventionnels, ce qui aurait nécessité 10 piliers ou plus le long de la travée pour supporter un pont aussi long. Le concept du pont de Léonard était radicalement différent :une arche aplatie qui serait assez haute pour permettre à un voilier de passer en dessous avec son mât en place, comme l'illustre son croquis, mais cela traverserait la grande travée avec une seule arche énorme.

Le pont aurait fait environ 280 mètres de long (bien que Léonard lui-même utilisait un système de mesure différent, puisque le système métrique était encore décalé de quelques siècles), ce qui en fait la plus longue portée du monde à cette époque, s'il avait été construit. "C'est incroyablement ambitieux, " Bast dit. "C'était environ 10 fois plus long que les ponts typiques de l'époque."

La conception comportait également une manière inhabituelle de stabiliser la travée contre les mouvements latéraux, ce qui a entraîné l'effondrement de nombreux ponts au cours des siècles. Pour lutter contre cela, Leonardo a proposé des culées évasées vers l'extérieur de chaque côté, comme une conductrice de métro debout élargissant sa position pour s'équilibrer dans une voiture qui se balance.

Dans ses cahiers et sa lettre au sultan, Leonardo n'a fourni aucun détail sur les matériaux qui seraient utilisés ou la méthode de construction. Bast et l'équipe ont analysé les matériaux disponibles à l'époque et ont conclu que le pont ne pouvait être qu'en pierre, parce que le bois ou la brique n'auraient pas pu supporter les charges d'une si longue portée. Et ils ont conclu que, comme dans les ponts en maçonnerie classiques tels que ceux construits par les Romains, le pont se tiendrait tout seul sous la force de gravité, sans aucune attache ni mortier pour maintenir la pierre ensemble.

Pour le prouver, ils devaient construire un modèle et démontrer sa stabilité. Cela nécessitait de trouver comment découper la forme complexe en blocs individuels qui pourraient être assemblés dans la structure finale. Alors que le pont grandeur nature aurait été composé de milliers de blocs de pierre, ils ont opté pour un design avec 126 blocs pour leur modèle, qui a été construit à une échelle de 1 à 500 (ce qui en fait environ 32 pouces de long). Ensuite, les blocs individuels ont été fabriqués sur une imprimante 3D, prendre environ six heures par bloc pour produire.

"C'était chronophage, mais l'impression 3D nous a permis de recréer avec précision cette géométrie très complexe, " dit Bast.

Tester la faisabilité de la conception

Ce n'est pas la première tentative de reproduire la conception de base du pont de Léonard sous forme physique. Autres, dont un pont piéton en Norvège, ont été inspirés par son design, mais dans ce cas, des matériaux modernes - acier et béton - ont été utilisés, de sorte que la construction n'a fourni aucune information sur l'aspect pratique de l'ingénierie de Léonard.

"Ce n'était pas un test pour voir si sa conception fonctionnerait avec la technologie de son temps, " dit Bast. Mais en raison de la nature de la maçonnerie gravitationnelle, le fidèle modèle réduit, bien que fait d'un matériau différent, fournirait un tel test.

"Tout est maintenu par compression uniquement, " dit-elle. " Nous voulions vraiment montrer que les forces sont toutes transférées au sein de la structure, " ce qui est essentiel pour garantir que le pont se tiendrait solidement et ne basculerait pas.

Comme pour la construction de ponts en arc en maçonnerie, les "pierres" étaient soutenues par une structure d'échafaudage lors de leur assemblage, et ce n'est qu'après qu'ils étaient tous en place que l'échafaudage pouvait être retiré pour permettre à la structure de se soutenir. Puis vint le moment d'insérer la pièce finale dans la structure, la clé de voûte tout en haut de l'arc.

"Quand nous l'avons mis dedans, nous avons dû le serrer. C'était le moment critique où nous avons construit le pont pour la première fois. J'avais beaucoup de doutes" quant à savoir si tout allait fonctionner, Bast se souvient. Mais "quand j'ai mis la clé de voûte, Je pensais, 'ça va marcher.' Et après ça, nous avons démonté l'échafaudage, et il s'est levé."

"C'est le pouvoir de la géométrie" qui le fait fonctionner, elle dit. "C'est un concept fort. Il a été bien pensé." Marquez une autre victoire pour Leonardo.

"Ce croquis était-il juste à main levée, quelque chose qu'il a fait en 50 secondes, ou est-ce quelque chose auquel il s'est vraiment assis et a réfléchi profondément ? Il est difficile de savoir" à partir du matériel historique disponible, elle dit. Mais prouver l'efficacité de la conception suggère que Leonardo l'a vraiment travaillé avec soin et réflexion, elle dit. "Il savait comment fonctionne le monde physique."

Il a aussi apparemment compris que la région était sujette aux tremblements de terre, et des caractéristiques incorporées telles que les semelles écartées qui fourniraient une stabilité supplémentaire. Pour tester la résilience de la structure, Bast et Xie ont construit le pont sur deux plates-formes mobiles, puis se sont éloignés l'un de l'autre pour simuler les mouvements de fondation qui pourraient résulter d'un sol faible. Le pont a montré une résistance au mouvement horizontal, ne se déformant que légèrement jusqu'à s'étirer jusqu'à s'effondrer complètement.

La conception peut ne pas avoir d'implications pratiques pour les concepteurs de ponts modernes, Bast dit, puisque les matériaux et les méthodes d'aujourd'hui offrent beaucoup plus d'options pour le briquet, conceptions plus solides. Mais la preuve de la faisabilité de cette conception permet de mieux comprendre quels projets de construction ambitieux auraient pu être possibles en utilisant uniquement les matériaux et les méthodes du début de la Renaissance. Et cela souligne une fois de plus le génie de l'un des inventeurs les plus prolifiques au monde.

Il démontre également, Bast dit, que « vous n'avez pas nécessairement besoin d'une technologie sophistiquée pour trouver les meilleures idées ».

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.