Galileo galilei è stato un fisico, filosofo, astronomo e matematico italiano, considerato il padre della scienza moderna, nonché il gigantesco pensatore grazie al quale si diffuse un nuovo modo di fare scienza, fondato su un metodo solido non più basato sull'osservazione diretta della natura, bensì sull'utilizzazione degli strumenti scientifici.
Il suo nome è associato a importanti contributi in dinamica e in astronomia, legati al perfezionamento del telescopio, che gli permise importanti osservazioni astronomiche. Oltre all'introduzione del metodo scientifico (detto spesso metodo galileiano o metodo scientifico sperimentale), di primaria importanza fu anche il suo ruolo nella rivoluzione astronomica, con il sostegno al sistema eliocentrico e alla teoria copernicana.
Galileo Galilei nacque il 15 febbraio 1564 a Pisa, primogenito dei sette figli di Vincenzo Galilei e di Giulia Ammannati. Differentemente dagli Ammannati, originari del territorio di Pistoia e di Pescia, Vincenzo Galilei apparteneva invece ad una più umile casata, per quanto i suoi antenati facessero parte della buona borghesia fiorentina.
PISA:
Vincenzo(il padre) il 5 settembre 1580, iscrisse il figlio all'Università di Pisa con l'intenzione di fargli studiare medicina, per fargli ripercorrere la tradizione del suo glorioso antenato Galileo Bonaiuti e soprattutto per fargli intraprendere una carriera che poteva procurare lucrosi guadagni.
Nonostante il suo interesse per i progressi sperimentali di quegli anni, l'attenzione di Galileo fu presto attratta dalla matematica, che cominciò a studiare dall'estate del 1583, sfruttando l'occasione della conoscenza fatta a Firenze di Ostilio Ricci da Fermo, un seguace della scuola matematica di Niccolò Tartaglia. Caratteristica del Ricci era l'impostazione che egli dava all'insegnamento della matematica: non di una scienza astratta, ma di una disciplina che servisse a risolvere i problemi pratici legati alla meccanica e alle tecniche ingegneristiche. Durante la sua permanenza a Pisa, protrattasi fino al 1585, Galileo arrivò alla sua prima, personale scoperta, l'isocronismo delle oscillazioni del pendolo.
L'isocronismo del pendolo:
Galileo era molto interessato ad un approccio di tipo matematico alla questione del moto; egli incominciò fin da giovane ad analizzare criticamente la fisica aristotelica che gli era stata insegnata, attraverso la sperimentazione diretta sugli oggetti del proprio studio.
Si dice che Galileo intraprese lo studio del moto del pendolo nel 1581, dopo aver osservato il moto di oscillazione di una lampada sospesa nella Cattedrale di Pisa, città nella quale compì gli studi universitari. Egli si accorse che il periodo di oscillazione di un pendolo è indipendente dalla sua ampiezza, fenomeno detto "isocronismo" del pendolo, e cercò di trovare le relazioni tra la lunghezza e il peso del pendolo e il suo periodo. In realtà, un pendolo è strettamente isocrono soltanto se le sue oscillazioni sono di piccola ampiezza, come fu scoperto da Huygens pochi decenni più tardi.
Un pendolo poté quindi essere usato come strumento per misurare gli intervalli di tempo, trovando applicazione per esempio in medicina, come misuratore delle pulsazioni cardiache.
Molti anni più tardi, nel 1641, Galileo propose l'utilizzo del pendolo come meccanismo regolatore degli orologi, e ne abbozzò un progetto. Tuttavia, ormai vecchio e cieco, non riuscì a realizzarlo, e l'orologio a pendolo venne costruito solo nel 1657, da Christiaan Huygens.
Galileo Galilei fu il primo ad accorgersi che la durata di ogni oscillazione di un pendolo semplice (cioè una massa attaccata tramite un filo ad un supporto fisso) è indipendente dall’ampiezza dell’oscillazione, purchè l’ampiezza angolare sia piccola, ossia in pratica finchè l’angolo massimo che il filo forma con la verticale non supera qualche grado, cioè sia <10°.
Quando il pendolo viene allontanato dalla posizione verticale e poi lasciato andare inizia ad oscillare perché la forza di gravità, agendo sulla massa appesa al filo, la richiama verso la posizione verticale del filo.
Il moto di un pendolo semplice, nell'ipotesi di piccole oscillazioni, è armonico con periodo indipendente dalla massa oscillante e dall'ampiezza delle oscillazioni. Quindi tutte le oscillazioni di un pendolo semplice hanno la stesa durata.
Osservando la formula del periodo del pendolo 2pgreco che moltiplica la radice di l/g
si ricava che:
- è indipendente dall'angolo q
Se facciamo oscillare un pendolo e misuriamo i tempi necessari per compiere un certo numero di oscillazioni complete, per esempio le prime 10, e poi il tempo per le successive 10, nonostante l'ampiezza diminuisca progressivamente, si trova che i due tempi sono uguali.
- è indipendente dalla massa
Se sospendiamo palline di materiale diverso, per esempio una di ferro, una di legno, un'altra ancora di materiale diverso, a parità di lunghezza, si osserva che il periodo è sempre lo stesso.
- è direttamente proporzionale alla radice quadrata della lunghezza
Se facciamo oscillare alcuni pendoli di lunghezze diverse: ad esempio L1=10cm, L2=40cm, L3=90cm, cioè le lunghezze stanno tra loro come 1:4:9, si trova che il periodo del secondo pendolo è il doppio di quello del primo, mentre quello del terzo è il triplo. Quindi se si fanno oscillare simultaneamente i tre pendoli, si osserva che mentre il primo compie due oscillazioni complete, il secondo ne compie una e che, mentre il primo compie tre oscillazioni complete il terzo ne compie una.
- è inversamente proporzionale alla radice quadrata dell'accelerazione di gravità.
Ad esempio, a parità di lunghezza, un pendolo sulla Luna, dove l'accelerazione di gravità è circa 1/6 di quella sulla Terra, ha un periodo che è circa 2,5 volte quello di un pendolo di uguale lunghezza sulla Terra; sulla Luna cioè le oscillazioni sono più lente. Quindi se sulla Terra un pendolo ha un periodo di 1s, sulla Luna un pendolo della stessa lunghezza ha un periodo di circa 2,5s.
Sei anni più tardi ottene la cattedra di matematica all'università di Pisa in questo periodo scrisse appunti di meccanica e sviluppò l'idea di utilizzare la matematica come mezzo per risolvere problemi concreti. Ma prima di ciò, nel periodo in attesa dell'incarico universitario a Pisa, Galileo perfezionò la bilancia idrostatica di Archimede e descrisse il suo dispositivo nell'opera La Bilancetta.
La bilancia idrostatica:
La bilancia idrostatica è un tipo di bilancia che serve per misurare la densità di un corpo utilizzando la spinta dell'acqua secondo il principio di Archimede. La bilancia di Galileo era costituita da un dispositivo a leva. Il braccio all'estremita' del quale andava fissato il contrappeso era avvolto in un filo metallico. Lo spostamento del contrappeso poteva essere determinato molto accuratamente contando il numero di spire del filo metallico lungo le quali si spostava.
Il termoscopio:
All'inizio del diciassettesimo secolo, non c'era alcun metodo per quantificare il calore di un corpo. Molti studiosi dell'epoca sapevano che l'aria si espande quando viene riscaldata. Il termoscopio fu ideato da Galileo all'inizio del 1600 ed era costituito da una piccola fiaschetta con il collo lungo e sottile, piena d'aria, posto a testa in giu' entro una vasca piena d'acqua. Quando la fiaschetta veniva riscaldata, l'aria al suo interno si espandeva, e il livello dell'acqua nel collo scendeva, mentre quando l'aria si raffreddava, il suo volume decresceva e l'acqua saliva dalla vaschetta lungo il collo del fiasco.
Negli anni successivi, il dispositivo venne perfezionato da Galileo e dai suoi amici Santorio e Gianfrancesco Sagredo, per includervi una scala numerica: si ebbe cosi' il primo termometro ad aria.
PADOVA:
Nel 1592 si trasferì a Padova. Lì insegnò geometria e astronomia, creò un laboratorio scientifico e maturò la maggior parte delle sue scoperte di meccanica, tra cui un'analisi del moto uniformemente accelerato. In questo periodo pubblicò pochissimo. Avendo saputo dell'invenzione del telescopio, nel 1609 ne realizzò uno.
Il telescopio:
Grazie all'invenzione del cannocchiale (o per meglio dire, telescopio), ha potuto osservare i fenomeni al di fuori della Terra, analizzando astri, pianeti e stelle. Una volta costruito il telescopio, Galileo ha osservato, come prima cosa, la Luna: ha visto l'alba e il tramonto sulla Luna, ha osservato la metà chiara e la metà scura, ha notato la presenza di montagne sulla superficie lunare. Successivamente ha osservato le fasi di Venere. Tra le sue prime scoperte ci fu l'individuazione di piccoli pianeti intorno a Giove, che vennero chiamati "Satelliti Medicei", per dedicare la scoperta alla famiglia dei Medici. Questi satelliti che giravano intorno a Giove confutavano la tesi che tutti i pianeti girassero intorno alla terra. Questa scoperta è stata molto importante per l'imporsi della teoria copernicana del moto planetario: secondo la cosmologia di Aristotele c'era un unico centro del moto (la Terra), attorno al quale ruotavano tutti i corpi celesti; Copernico invece sosteneva che la Terra si muoveva intorno
al Sole e la Luna attorno alla Terra e quindi che ci fossero due centri del moto.
Un'altra osservazione é legata alla Via Lattea (Galassia): puntando il telescopio Galileo ha notato che la via Lattea era composta da stelle e ne ha dedotto che le stelle non possono essere tutte alla stessa distanza, fissate sul cielo delle stelle fisse (come diceva Aristotele). Galileo ha osservato anche le macchie solari, che venivano interpretate come fenomeni creati dalla combinazione di effetti dell'atmosfera terrestre. Galileo ha scoperto che in realtà le macchie solari erano regioni scure, di forma irregolare e variabile, presenti sulla superficie del Sole. Il fatto che il Sole presentasse delle irregolarità sulla sua superficie e che il suo aspetto variasse nel tempo, era una prova a sfavore della teoria tolemaica, secondo la quale ogni cosa appartenente al regno celeste era perfetta e immutabile.
La fama ottenuta da Galileo indusse il Granduca di Toscana, Cosimo de' Medici, a offrirgli una buona sistemazione Firenze, città di cui lo studioso cominciavo a sentire nostalgia. Accettò e lasciò così Padova, dove comunque aveva goduto di una preziosa libertà accademica.
FIRENZE:
Ormai convinto della validità delle ipotesi copernicana, iniziò a prendere posizione pubblicamente, finendo per scontrarsi con gli aristotelici e gli ecclesiastici, rigidi sostenitori della teoria tolemaica, fino a ricevere nel 1616 un'ammonizione da parte dell' Inquisizione. Sincero cattolico (due sue figlie erano suore) probabilmente pensava di poter convincere la chiesa della validità della teoria copernicana. In una famosa lettera a un membro della famiglia Medici chiarisce la propria visione circa il rapporto tra fede e scienza, sostenendo che le Sacre Scritture hanno validità teologica, ma non possono essere usati in ambito scientifico per trattare fatti sperimentali.
Nel frattempo, continuò i suoi studi e pubblicò nel 1623 Il Saggiatore in cui si occupò delle comete e al tempo stesso espose delle considerazioni a carattere metodologico, evidenziando tra l'altro ottime doti letterarie e una vivace capacità polemica. Nel 1630, essendo Papa Urbano ottavo che aveva mostrato benevolenza, pubblicò dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, tolemaico e copernicano. Il testo era concepito come un confronto dialettico tra tre personaggi in cui uno Simplicio, filosofo aristotelico sostenitori del sistema tolemaico, risulta già a partire dal nome decisamente poco acuto. Nel testo emerge la grandezza del fondatore del metodo scientifico capace di affrontare ogni problema in modo nuovo e rigoroso e ottenere dalla Chiesa l'autorizzazione alla pubblicazione accettò di scrivere nella prefazione che il sistema copernicano era solo un'ipotesi ed era errata. Questa astuzia dialettica non fu però sufficiente e nel settembre del 1632 fu convocato a comparire davanti al tribunale del Santo Uffizio di Roma. Il processo si svolse dall'aprile al giugno del 1633 concludendosi con l'abiura dell'ormai anziano scienziato pronunciata in ginocchio,
che tuttavia li permise di salva la vita. Galileo Galilei infine morì nel 1642 anno di nascita di Newton.