Le ricerche dello scienziato riguardarono la discesa libera dei gravi lungo piani diversamente inclinati, la formulazione della legge che stabilisce il rapporto tra spazi percorsi e tempi impiegati nella caduta libera, l'isocronismo delle oscillazioni dei pendoli di eguale lunghezza e, di particolare importanza, il moto dei proietti. Partendo dalla necessità di illustrare alcuni principi meccanici scoperti e dimostrati da Galileo, a Firenze, nel Museo di Fisica e Storia Naturale, furono approntate alla fine del Settecento macchine sperimentali, come il modello del piano inclinato, la discesa brachistocrona, la macchina da alzare acqua.



MACCHINA DA ALZARE ACQUA

Questo modello illustra un sistema meccanico per mezzo del quale è possibile azionare più pompe idrauliche grazie al movimento di un solo asse. Il modello, assai elegante e ricco di dettagli architettonici quali pilastri e scalette, rappresenta una piattaforma circolare intarsiata che simula un pavimento accanto al quale, diametralmente, si trovano quattro pozzi. Al centro della piattaforma si trova una colonna che sostiene una manovella azionata da una coppia di cavalli imbrigliati a due apposite aste. Il movimento rotatorio della manovella viene trasformato in un moto alternativo dai bilancieri che, tramite le catene, azionano quattro pompe (non rappresentate nel modello) per attingere acqua dai pozzi. Questa macchina è spesso riferita ad un brevetto rilasciato a Galileo.

DISCESA BRACHISTOCRONA

Questo apparecchio permette di illustrare un'importante dimostrazione meccanica messa a punto da Galileo a Padova nel primo decennio del Seicento e comunicata in una lettera a Guidobaldo del Monte. La cicloide è una curva brachistocrona, è cioè la curva collegante due punti che viene percorsa in minor tempo da un corpo che cade lungo di essa sotto l'azione di una gravità costante. Galileo fornì una dimostrazione geometrica del fatto che l'arco di circonferenza è brachistocrono. La dimostrazione matematica del brachistocronismo della cicloide fu data da Jacques Bernoulli nel 1697. L'apparecchio si compone di un telaio di legno, montato su due piedi muniti di viti calanti e recante un canale cicloidale. Parallelamente ad esso, è imperniato un canale rettilineo la cui inclinazione può essere fissata con dei pioli infissi in appositi fori muniti di ghiere d'ottone praticati sotto la cicloide. Una levetta munita di due piccole staffe permette di far partire contemporaneamente due biglie lungo i due canali. La biglia che percorre la cicloide arriva nel punto di intersezione dei due canaletti in tempo minore di quella che percorre il piano inclinato. Poche notizie abbiamo dell'autore di questo apparecchio, Francesco Spighi. Stipettaio fiorentino, lavorò per un certo tempo come artigiano ed ebanista per l'Imperiale e Regio Museo, per il quale costruì mobili e apparecchi di legno intarsiato, destinati al Gabinetto di Fisica.

CURVA BRACHISTOCRONA

Si dice di quella curva fra due punti che, per un dato tipo di movimento (ad esempio la caduta per l'effetto della forza di gravità) rappresenta il percorso più breve. Galileo affermò che la discesa naturale di un grave è più breve lungo l'arco che lungo la corda tra due punti di un cerchio

LEGGE GALEILIANA DELLA CADUTA DEI CORPI

Oggi diciamo che lo spazio percorso da un corpo che cade lungo un piano inclinato è direttamente proporzionale al quadrato del tempo di caduta. L'equivalente galileiano di questa legge affermava che in tempi uguali gli spazi percorsi seguono la progressione 1, 3, 5, 7, ...

PIANO INCLINATO

Il piano inclinato è un modello che permette di verificare l'accelerazione dei gravi durante la discesa. Si deve a Galileo la formulazione delle leggi della caduta naturale dei gravi.

TERMOSCOPIO

Copia dello strumento per misurare il caldo e il freddo ideato da Galileo durante il periodo padovano. Viviani, nella Vita di Galileo, afferma che il termoscopio fu ideato dallo scienziato nel 1597. La sua testimonianza è confermata da Benedetto Castelli in una lettera al Cesarini del 20 settembre 1638, nella quale descrive l'uso dello strumento. Esso è costituito da una caraffa di vetro della grandezza di un uovo con un lungo collo pure di vetro. Questa caraffa viene riscaldata con le mani e poi rovesciata in un vaso sottostante, contenente del liquido; liberata la caraffa dal calore delle mani, il liquido sale subito nel collo e supera il livello dell'acqua contenuta nel vaso. Uno strumento analogo era stato costruito a Venezia dal Santorio nel 1612. Galileo, informato dal Sagredo dello strumento messo a punto dal Santorio, si risentì, sospettando di essere stato defraudato dell'invenzione.

Galileo e il metodo scientifico

Punto fondamentale dell’opera di Galileo fu la difesa dell’autonomia della scienza rispetto alla fede e alla filosofia aristotelica, poiché egli riteneva la libertà della scienza di fondamentale importanza. Per Galileo, infatti, la Bibbia non contiene principi che riguardano le leggi della natura ma verità che si riferiscono alla salvezza dell’uomo. Essa ci insegna “a come andare al cielo, non come vada il cielo”. La Bibbia è quindi arbitra nel dominio religioso, la scienza in quello naturale. Galileo fu un grande appassionato di fisica, venne soprattutto affascinato dal moto dei corpi. Fu proprio in questo campo (la dinamica) che fece numerose scoperte che gli diedero l’appellativo di fondatore della dinamica scientifica moderna. L’utilizzo del cannocchiale da parte di Galileo ci mostra l’importanza che assunsero gli strumenti d’osservazione durante la Rivoluzione scientifica. Difatti, la grandezza di Galileo non consistette tanto nell’aver costruito il cannocchiale, ma nell’averlo usato scientificamente. Le lenti erano infatti già note, ma esse venivano utilizzate solo a scopo di divertimento. Addirittura venivano condannate poiché considerate fonti di illusioni ottiche. E’ proprio il diritto ad usare il cannocchiale come mezzo scientifico che gli sarà duramente contestato.Tra i risultati più importanti ottenuti da Galileo, vi fu l’individuazione del metodo scientifico dell’osservazione, procedimento che aprì le porte alle maggiori scoperte scientifiche. La forza di questo metodo risiede proprio nell’aver trovato quella via di compenetrazione tra ragione ed esperienza, tra ragione e sensi. Egli seppe riunire nel suo metodo il momento osservativo ed induttivo della ricerca con quello teorico e deduttivo. Galileo articola il lavoro della scienza in due parti fondamentali: il momento risolutivo e quello compositivo. Il primo consiste nell’osservare e nel risolvere un fenomeno cercando di arrivare ad un’ipotesi matematica sulla legge da cui dipende. Il secondo momento risiede nella verifica di tale ipotesi e nell’esperimento, ossia si tenta di riprodurre artificialmente il fenomeno. Se l’ipotesi viene verificata, essa viene formulata in termini di legge.Attraverso il suo metodo, Galileo perviene a quel pensiero secondo cui: la natura è un ordine oggettivo e causalmente strutturato di relazioni governate da legge e la scienza è un sapere sperimentale-matematico intersoggettivamente valido.

GALILEO E IL PRINCIPIO DI RELATIVITÀ

Nel suo "Dialoghi sui Massimi Sistemi" Galileo Galilei dà una descrizione molto chiara del cosiddetto "principio di relatività galileiana". Egli immagina uno sperimentatore, rinchiuso nella stiva di una nave, che esegue una serie d'osservazioni sulla caduta dei gravi. Galileo spiega, molto chiaramente, come in nessun modo sia possibile per quest'osservatore trarre alcun'indicazione sulla velocità del moto (uniforme) della nave mediante esperimenti che si svolgano esclusivamente nel suo interno. La formulazione galileiana originale è descrittiva e segna tuttavia l'ingresso nella fisica moderna del concetto di relatività: "E' impossibile mettere in evidenza il moto assoluto di un oggetto e si può solamente parlare di velocità relativa di due oggetti". Il principio di relatività è verificabile nella vita di tutti i giorni; seduti nello scompartimento di un treno che sta partendo dalla stazione, con un altro treno a fianco, facciamo fatica a capire se ci stiamo muovendo noi o l'altro treno. La relatività galileiana è in perfetto accordo con la meccanica di Newton e con la legge di gravitazione universale. Non è dunque possibile stabilire lo stato di moto assoluto misurando la forza gravitazionale tra corpi. Il mondo relativistico può essere codificato da un'infinità potenziale d'osservatori, detti inerziali, e in moto relativo uniforme. Nessuno di questi ha preminenza sugli altri e le leggi della fisica si scrivono nello stesso modo per tutti. Nella relatività ristretta non sono ammessi osservatori in moto non uniforme e sarebbe invero possibile avvertire il moto della nave con il mare mosso. L'esistenza d'osservatori inerziali è un fatto empirico e al momento non discende da alcun principio superiore. La relatività galileiana è rimasta in ottimo accordo con i dati osservativi, sino alla fine dell'Ottocento, e continua a essere usata con successo per trattare i fenomeni non relativistici, ossia quelli che si svolgono con velocità molto inferiori a quella della luce (c = 299.792,458 km/s). A velocità prossime a c - dette relativistiche - essa si rivela invalida e occorre usare la relatività einsteiniana.