Galileo Galilei, figura emblematica della scienza, nacque a Pisa il 15 febbraio 1564 da Vincenzo Galilei e Giulia Ammannati. Il padre, Vincenzo, conoscitore della matematica, lo indirizzò verso gli studi di medicina, seguendo le orme di un avo, Galileo Bonaiuti.
La formazione di Galileo Galilei
Il giovane Galileo studiò come novizio al Convento di Santa Maria in Vallombrosa a Firenze, dove rimase fino all'età di quindici anni. Nel 1580 si iscrisse alla facoltà di medicina dell'Università di Pisa. Dopo quattro anni il giovane rinuncia a qualsiasi titolo accademico e ritorna a Firenze, dove diviene discepolo di Ostilio Ricci da Fermo, un seguace della scuola matematica di Niccolò Tartaglia: è a questa scuola che Galileo studia i problemi di matematica applicata, di meccanica e di idraulica.
Galileo cercò di farsi conoscere nel mondo accademico diffondendo i suoi scritti e partecipando attivamente alla vita culturale del suo tempo con lezioni e conferenze pubbliche. Nel 1589 l'Università di Pisa gli assegnò la cattedra di Matematica. Nonostante lo stipendio di sessanta scudi fosse appena sufficiente per sopravvivere, Galileo riuscì a produrre ottime idee e strumenti.
Lo stipendio dell’Università non dava molte prospettive per il futuro, così Galilei si rivolse ancora al Marchese Del Monte, il quale, grazie anche all'appoggio del Cardinale Francesco Maria, riuscì a convincere l'Università di Padova a chiamarlo come Professore di Matematica. Il 26 settembre 1592 venne quindi emanato il decreto di nomina, con uno stipendio di 180 fiorini l'anno. Galileo rimase all'università di Padova per 18 anni, dove si dedicò allo studio dei corpi, all'idraulica, cioè lo studio delle acque.
In quel periodo padovano incontrò Marina Gamba, dalla quale ebbe tre figli: Virginia, che gli resterà accanto fino alla morte, Livia e Vincenzo.
L'invenzione della macchina idraulica
Nel 1593, Galileo realizzò una macchina per portare l'acqua ai livelli più alti, ottenendo dal Senato Veneto un brevetto per l'utilizzazione pubblica per un periodo di venti anni. L'apparato rappresenta una libera interpretazione del brevetto di dispositivo idraulico rilasciato a Galileo dalla Serenissima Repubblica di Venezia nel 1594.
Descrizione del modello
Il modello presenta una piattaforma circolare intarsiata sulla quale si elevano quattro pozzi, disposti diametralmente lungo il bordo. Al centro della piattaforma una colonna sostiene un dispositivo rotante eccentrico, azionato da una coppia di cavalli. L'eccentrico è collegato, per mezzo di quattro bielle, ad altrettanti bilancieri posti su un supporto separato. Ogni bilanciere presenta una catena che si prolunga all'interno del pozzo corrispondente. Il movimento rotatorio dell'eccentrico è trasformato in moto alternato dai bilancieri.
Le scoperte e gli studi successivi
Tra il Luglio e l'Agosto del 1609 perfezionò il cannocchiale, dotandolo di lenti ottiche lavorate con alta precisione, facendone uno strumento scientifico. Nel Marzo 1614 inventò il metodo per determinare il peso dell'aria, scoprendo che è settecentosessanta volte più leggera dell'acqua: all’epoca, al contrario, si pensava che l'aria non avesse peso.
Tra il 12 e il 15 novembre 1614 Galilei ricevette a Firenze la visita di Giovanni Tarde, al quale parlò del suo microscopio, invenzione cui non poté dedicare molto tempo. Impiegherà infatti ben dieci anni per perfezionarla.
Nel 1616 il Santo Uffizio mise all'indice dei libri proibiti dalla Chiesa Cattolica sia la cosmologia copernicana sia l’opera di Galileo, il quale venne convocato a Roma per rispondere delle sue teorie. Qui provò a difendere le idee copernicane, nonché le sue, dall'accusa di essere contrarie agli insegnamenti della Bibbia, ma allo scienziato venne intimato di non professare più tali idee. Ciò non impedì al Galilei di continuare i suoi studi e pubblicare, nel 1623, Il Saggiatore, nel quale polemizza con il padre gesuita Orazio Grassi.
Nel 1632 pubblicò il Dialogo di Galileo Galilei sopra i due Massimi Sistemi del Mondo Tolemaico e Copernicano in cui espone il principio di Relatività e il suo metodo per determinare la velocità della luce. Nel 1638 pubblica i Discorsi e Dimostrazioni Matematiche intorno a due nuove scienze: in esso tratta le leggi del moto e la struttura della materia.
Il padre del metodo scientifico si spegne l'8 gennaio 1642, a Firenze, circondato dai suoi allievi e nella quasi totale cecità.
Il contesto scientifico e tecnologico del XVII e XVIII secolo
Nel Settecento, a parte rare eccezioni, i tecnici impiegavano ancora i metodi tradizionali per progettare e costruire i canali, gli acquedotti e le macchine idrauliche, usando un approccio di tipo comparativo e normativo. Un costruttore di mulini, per esempio, si poneva interrogativi generici sulla grandezza della ruota o sul volume d'acqua, evitando di impostare il problema in termini quantitativi, ossia senza calcolare la portata in unità cubiche al secondo o domandarsi quale fosse il rendimento della ruota espresso sotto forma di rapporto.
Sebbene non quantitativi, i metodi impiegati dai tecnici avevano un elemento in comune con la nuova concezione della scienza emersa nel secolo precedente: la sperimentazione. Per sua natura, lo sviluppo della tecnologia non poteva prescindere dalla sperimentazione e già molto prima del 1700 essa era stata utilizzata in modo sistematico anche in campo idraulico.
Anche se tra i fattori che spinsero alcuni matematici e filosofi naturali ad allargare il proprio campo d'indagine alla tecnologia vi furono, come abbiamo detto, la curiosità e la ricerca di nuovi problemi, tuttavia vi contribuirono fortemente altri fattori. In molti casi, questi studiosi erano sinceramente convinti della possibilità di un'utilizzazione pratica delle proprie ricerche e in realtà l'idea che la scienza possedesse ‒ o avrebbe dovuto possedere ‒ un risvolto utile era condivisa dalle élite intellettuali e dirigenti di tutta Europa. Ciò favorì, a partire dagli anni Sessanta del Seicento, il patrocinio delle accademie scientifiche da parte dello Stato, come nel caso della Royal Society di Londra e dell'Académie Royale des Sciences di Parigi.
Un tacito accordo garantiva il sostegno duraturo della Corona agli accademici disposti a occuparsi dei progetti che interessavano concretamente lo Stato francese. Anche in altri paesi europei, come la Svezia, la Prussia e la Savoia, l'appoggio della monarchia stimolò filosofi naturali e matematici a occuparsi di problemi pratici.
In Italia, alcuni Stati esercitarono pressioni sulle università locali, affinché assumessero o favorissero gli accademici utili agli enti statali preposti al controllo delle acque. Per esempio, il prestigio accademico di cui godette il professore dell'Università di Padova Giovanni Poleni fu dovuto in parte alla sua funzione di consulente d'idraulica del governo di Venezia.
Come molti altri settori tecnologici, nel Settecento l'ingegneria idraulica era un'arte quasi interamente empirica. Questo era senza dubbio il caso dell'Italia, dove il problema del contenimento dei torrenti alpini e appenninici rappresentava una fonte costante di preoccupazione. In questo periodo, le élite al governo di diversi Stati italiani si erano persuase del potenziale valore del nuovo approccio di tipo deduttivo e quantitativo propugnato da Galilei e dai suoi discepoli.
I fondamenti della teoria idraulica
I fondamenti della teoria idraulica utilizzati da questi consulenti accademici erano stati formulati dai seguaci di Galilei agli inizi degli anni Venti del XVII secolo. Benedetto Castelli (1577 ca.-1643), collega di Galilei, fu un precursore in questo campo. Nel 1628, nella sua opera Della misura dell'acque correnti, applicò la meccanica deduttiva galileiana al flusso idrico, dimostrando matematicamente che il volume di acqua Q che nell'unità di tempo scorre in un torrente (o anche in un canale) era teoricamente pari al prodotto dell'area della sezione trasversale A del corso d'acqua per la velocità dell'acqua V (Q=AV, equazione di continuità).
Evangelista Torricelli (1608-1647) estese ulteriormente l'applicazione della meccanica galileiana all'idraulica. Nell'Opera geometrica, del 1644, egli sostenne l'analogia fra la caduta libera dei gravi, le cui leggi erano state formulate da Galilei, e un getto d'acqua che sgorga da un piccolo foro praticato vicino al fondo di un recipiente. In base a tale analogia, Torricelli concluse che la velocità di efflusso V varia in rapporto alla radice quadrata dell'altezza h dell'acqua al di sopra dell'orifizio, così come la velocità di un grave in caduta libera varia in rapporto alla radice quadrata dell'altezza da cui cade.
La scienza idraulica italiana raggiunse il suo apice con Domenico Guglielmini (1655-1710). Come abbiamo già detto, alla fine del Seicento era relativamente diffusa nell'Italia settentrionale la pratica di rivolgersi ad accademici esperti di matematica per la risoluzione di problemi di idraulica. Occupandosi regolarmente d'idraulica pratica, Guglielmini si rese conto ben presto dei limiti di un approccio puramente deduttivo ai problemi dell'idraulica e si mostrò meno scettico nei confronti della sperimentazione e della pratica di quanto non lo fossero stati Castelli e Torricelli.
Critiche e sviluppi successivi
Quando si trattava di consigliare le autorità statali, i teorici di idraulica, quali Castelli, Torricelli e Guglielmini, erano solamente alcune delle voci prese in considerazione. La loro influenza si stemperava nel mare di pareri spesso contraddittori forniti dagli ingegneri pratici, dai filosofi naturali e dai matematici che preferivano i metodi sperimentali.
La carriera di Giovanni Poleni (1683-1761) segna una svolta nella storia dell'idraulica fluviale. Come Guglielmini, egli era un accademico italiano che fece carriera grazie all'intenso lavoro di consulente idraulico.
Nelle sue opere usava esperimenti per determinare o verificare i rapporti fra variabili, quali velocità, corrente e sezione trasversale dei corsi d'acqua; alcuni risultati da lui ottenuti in questo modo ‒ per esempio la scoperta che ai fini del calcolo del volume le dimensioni dello sbocco del canale erano più importanti di quelle dell'imbocco ‒ ebbero ripercussioni pratiche sulla...
La pompa idraulica di Carlo Castelli
Nel 1785 il prevosto milanese Carlo Castelli descrisse una pompa idraulica che battezzò "ventilatore idraulico" poiché il suo funzionamento era simile ai ventilatori utilizzati per arieggiare le miniere. Secondo il suo inventore la macchina poteva essere utilizzata per spegnere gli incendi, per estrarre l'acqua dai pozzi o dalle sentine delle navi, per innaffiare giardini e per molti altri usi.
La pompa vera e propria è montata su una cassa di legno, foderata di metallo, che serve da serbatoio per l'acqua. Il corpo di ottone della pompa è cilindrico ed è chiuso superiormente da una calotta sferica munita di una lunga lancia. Il cilindro ha internamente quattro camere di forma triangolare munite di coppie di valvole sovrapposte. Due grossi tubi mettono in comunicazione le camere inferiori con il serbatoio.
Il corpo della pompa è diviso verticalmente da una paratia mobile a tenuta stagna che viene azionata dal movimento alternativo del manubrio metallico imperniato sulla sommità della macchina. Il movimento della paratia fra i settori provoca in una sezione del cilindro un'aspirazione che permette di attingere l'acqua dal serbatoio attraverso le valvole inferiori, mentre determina nell'altra una compressione che espelle l'acqua verso la calotta attraverso le valvole superiori. La pompa dunque è aspirante e premente e, grazie anche alla calotta che funge da serbatoio d'aria compressa, fa zampillare l'acqua in modo continuo e uniforme.
La coclea di Archimede
Può una macchina progettata almeno 2200 anni fa, attribuita ad Archimede, descritta da Vitruvio, e citata da Galileo, rivedere la luce nelle aule dell'Alma Mater? E' accaduto grazie a otto studenti della Scuola di Ingegneria e Architettura. Gli studenti del laboratorio hanno disegnato e costruito in prima persona la coclea di Archimede.La macchina, detta anche vite di Archimede, è un congegno usato per sollevare un liquido, o un materiale sabbioso, ghiaioso, o frantumato. Il dispositivo è costituito da una grossa vite posta all'interno di un tubo. La parte inferiore del tubo è immersa nell'acqua (o in ciò che deve sollevare). Il liquido viene innalzato dalla vite in rotazione fino ad uscire dalla parte superiore, da dove è scaricato in un bacino di accumulo.