Gli strumenti scientifici
Antonio Clericuzio
In ambiti civili e militari gli strumenti matematici hanno un impiego crescente: in particolare nella navigazione, nella balistica e nellâingegneria. Accanto ad usi pratici gli strumenti entrano a far parte della scienza â processo giĂ affermatosi in astronomia, che si estende anche ad altre discipline. Grazie alle nuove conoscenze di ottica e alla molatura di lenti, il telescopio si perfeziona consentendo sempre migliori osservazioni. Le innovazioni introdotte negli strumenti di misurazione del tempo contribuiscono a far progredire le ricerche di meccanica e favoriscono la risoluzione di problemi pratici come la determinazione della longitudine. La pompa pneumatica è tra i piĂš innovativi strumenti del secolo: essa consente di eseguire sofisticati esperimenti sullâaria e la respirazione.
Gli strumenti, i loro usi e i costruttori
Gli impetuosi sviluppi della navigazione, esplorazione, balistica, topografia, ingegneria, architettura e metallurgia richiedono la costruzione di strumenti di precisione, finalizzati a misurare il tempo, a osservare e misurare spazi, a controllare calibri e gittate. Nascono botteghe artigiane specializzate nella costruzione di strumenti matematici, molti dei quali destinati a usi pratici, non necessariamente alla sperimentazione.
Agli strumenti per usi pratici cominciano ad aggiungersi quelli per scopi di carattere scientifico: in astronomia, in chimica, in termometria, nella meccanica e pneumatica. Lo strumento consente di perfezionare i sensi, come il telescopio e il microscopio, di ottenere risultati piÚ precisi, come gli strumenti di misurazione del tempo, di oggettivare ciò che si osserva, come le sfere armillari, nonchÊ di creare artificialmente condizioni non esistenti o difficilmente realizzabili in natura, come la pompa pneumatica.
Certamente lo sviluppo della scienza sperimentale ha a sua volta stimolato la produzione di strumenti atti a realizzare ricerche sempre piĂš sofisticate, ma quello scientifico progettato e costruito con specifiche finalitĂ di ricerca si afferma molto lentamente.
Non pochi vengono per esempio costruiti o acquistati non per essere usati in laboratori o in osservatori, ma con finalitĂ di carattere ornamentale, per destare meraviglia e arricchire collezioni di principi (per esempio i globi e le carte geografiche). Ă certamente questo il caso degli eleganti strumenti di termometria dellâAccademia del Cimento in vetro lavorato.
Nel Seicento la scienza comincia a spettacolarizzarsi e lo strumento scientifico diviene unâattrattiva, come accade con lâesperimento degli emisferi di Magdeburgo. Nel 1657 il borgomastro della cittĂ , nonchĂŠ scienziato, Otto von Guericke allestisce una spettacolare esperienza alla quale assiste un enorme numero di concittadini. Dimostra che il peso dellâaria spinge lâuno contro lâaltro due emisferi perfettamente combacianti, entro i quali è stato fatto il vuoto, con tale forza che occorrevano due tiri contrapposti di sedici cavalli per separarle.
Lo status dei costruttori di strumenti è piuttosto vario. Innanzitutto occorre precisare che non esiste una categoria omogenea: coloro che realizzano strumenti matematici sono per lo piĂš distinti da coloro che lavorano lenti e producono quelli ottici. Alcuni di questi ottengono un considerevole successo commerciale e acquisiscono posizioni di prestigio presso le corti, vi sono poi costruttori di strumenti che sono anche direttamente impegnati in indagini scientifiche, mentre molti (forse la maggior parte) sono artigiani che occupano una posizione sociale piuttosto bassa e lasciano poche tracce delle proprie attivitĂ â talvolta solo una sigla sullâoggetto.
La ricca e potente famiglia toscana dei Della Volpaia costruisce orologi e sfere armillari per i Medici per tutto il Cinquecento, fino ai primi anni del Seicento. Lo svizzero Joost BĂźrgi è orologiaio di corte del langravio Guglielmo IV di Assia e poi dellâimperatore Rodolfo II. BĂźrgi ha competenze matematiche e collabora con Giovanni Keplero. Michel Coignet, figlio a sua volta di un costruttore di strumenti, lavora ad Anversa, è al servizio dellâarciduca Alberto dâAustria e pubblica opere di matematica e ingegneria. Giuseppe Campani ed Eustachio Divini, noti per le loro lenti, telescopi e microscopi, associano la costruzione di strumenti a osservazioni astronomiche e alla pubblicazione di testi scientifici.
Lâolandese Anton van Leeuwenhoek (1632-1723), mercante di stoffe a Delft, ottiene risultati eccellenti nella lavorazione delle lenti, costruisce circa 500 microscopi e invia i risultati delle sue indagini al periodico della Royal Society di Londra, âPhilosophical Transactionsâ.
Fra coloro che invece lasciano solo una sigla sulla loro creazione possiamo menzionare Marcantonio Mazzoleni, che costruisce strumenti per Galilei (compassi militari, bussole, squadre). Pur essendo un abile costruttore non diviene mai ricco, vive con moglie e figlia presso Galilei a Padova. Descartes impiega Jean Ferrier, un abile artigiano parigino nella molatura di lenti. Avendo in gran considerazione il suo lavoro, gli propone (invano) di continuare a lavorare al suo servizio in Olanda. Di Ferrier non restano altre tracce.
Alcuni fra i piÚ noti scienziati del secolo si dedicano alla costruzione di strumenti: Huygens è direttamente impegnato nel lavoro di molatura di lenti e nella realizzazione di orologi. Già dai primi anni Cinquanta egli è in contatto con artigiani olandesi e tedeschi per conoscere nuove tecniche di molatura e produce lenti fino a 23 centimetri di diametro e di grande lunghezza focale. Robert Hooke costruisce (con Boyle) la pompa pneumatica, lavora lenti per il microscopio e perfeziona dispositivi necessari alla misurazione del tempo, quali lo scappamento ad ancora e le molle a spirale applicate ai bilancieri. Hooke collabora e scambia informazioni con artigiani londinesi.
Strumenti matematici
Lâarte della guerra è uno dei principali scopi per cui si producono strumenti matematici. Non è un caso che Galilei definisca il proprio compasso âgeometrico-militareâ. Ă uno dei piĂš complessi strumenti di calcolo del primo Seicento: consente di risolvere i problemi aritmetici e geometrici piĂš semplici, cosĂŹ come il calcolo degli interessi, il cambio delle monete, i pesi specifici, la misura dei calibri, lâassetto dei cannoni, la misura delle altezze e delle pendenze. GiĂ dal XVI secolo livelle e mirini sono utilizzati nella balistica per traguardare il bersaglio; il goniometro è utilizzato nellâingegneria civile e militare. Per i rilievi topografici, la tavoletta pretoriana è affiancata, ma non sostituita, dal teodolite.
Allo scozzese John Napier si deve lâinvenzione di un dispositivo di calcolo fatto di dieci bastoncini rettangolari numerati; su ciascuno sono scritti i multipli dei numeri da 1 a 9 e i bastoncini vengono posti lâuno accanto allâaltro: la moltiplicazione si esegue sommando le cifre che compaiono sulla diagonale. Basandosi sullâopera di Napier, il matematico inglese William Oughtred costruisce un regolo calcolatore lineare: facendo scorrere lâuno sullâatro due righelli, è possibile eseguire moltiplicazioni e divisioni.
Lâideazione della prima macchina calcolatrice, ad opera di Blaise Pascal (1623-1662) nel 1642, risponde a fini pratici: il giovane matematico la costruisce per aiutare il padre a gestire la contabilitĂ . La âpascalinaâ esegue le addizioni e sottrazioni attraverso la rotazione di ingranaggi ed è in grado di tener conto dei riporti; esegue anche moltiplicazioni, ma in modo non semplice, attraverso la ripetizione di addizioni. Ne vengono realizzati circa 20 esemplari, ma la calcolatrice non ha un gran successo, essendo la sua costruzione difficile e costosa. In Inghilterra Samuel Morland (1625-1695), uomo politico legato a Cromwell, inventa una macchina in grado di eseguire le quattro operazioni e una per calcoli trigonometrici. A Parigi Leibniz è informato della macchina di Pascal e nel 1672 realizza una propria calcolatrice, in grado di eseguire anche moltiplicazioni di due numeri a piĂš cifre e divisioni. Presenta la macchina alla Royal Society di Londra, dove incontra Morland, ma gli Inglesi mostrano scarso interesse per lâinvenzione del matematico tedesco. Nel 1675 la calcolatrice è presentata allâAccademia delle Scienze di Parigi ed è molto apprezzata. Nel 1694 Leibniz produce a Parigi, con lâaiuto di un orologiaio, un nuovo modello (molto costoso) della propria macchina, che si basa su un tamburo differenziato, un meccanismo che contiene nove denti di lunghezza crescente.
Telescopio
Grazie a Galilei, il telescopio entra a pieno titolo nella storia dellâastronomia. Ma Galileo non è il primo a costruire un telescopio. Prima di lui, nei Paesi Bassi, tre costruttori di lenti fabbricano dispositivi atti a osservare oggetti lontani, costituiti da un tubo di metallo, una lente da presbite per obiettivo e una da miope per oculare. Si tratta di Hans Lipperhey, Zacharias Jansen e Jacon Metius. Se ne ha notizia nel 1608 e rapidamente il nuovo strumento è prodotto in altre parti dâEuropa. In Inghilterra, Thomas Hariot lo perfeziona e osserva la Luna. Nel 1609 Galileo costruisce il proprio cannocchiale: un telescopio rifrattore dotato di un obiettivo biconvesso che rifrange (piega) i raggi, cosĂŹ da farli convergere in un fuoco e un oculare biconcavo. Lo strumento galileiano è molto piĂš potente dei precedenti: ingrandisce fino a venti volte, mentre quelli olandesi due o tre.
Keplero, a differenza di Galilei che opera in maniera empirica, elabora una teoria ottica relativa alle lenti. Costruisce un telescopio con un oculare convesso, che presenta lâinconveniente (in astronomia non molto grave) di capovolgere lâimmagine, ma ha il vantaggio di avere un campo maggiore e di rendere possibile la proiezione di unâimmagine su uno schermo. Intorno al 1650 i telescopi raggiungono cinquanta ingrandimenti, nel decennio successivo, il doppio, ma presentano un duplice problema: lâaberrazione sferica e lâaberrazione cromatica. La prima è dovuta al fatto che le lenti di curvatura sferica non portano in un unico fuoco tutti i raggi incidenti paralleli. Per ridurre gli effetti dellâaberrazione sferica si usano lenti di piccola curvatura, ossia di grande distanza focale e ciò costringe ad usare telescopi molto lunghi (piĂš di dieci metri), che richiedono complesse strutture per essere manovrati. Lâastronomo di Danzica Johannes Hevelius usa telescopi lunghi fino a 45 metri. Lâaberrazione cromatica è invece dovuta alla differente rifrazione di raggi di diverso colore, il che rende lâimmagine poco nitida.
La soluzione dei problemi posti dai rifrattori comincia a emergere negli anni Sessanta, quando James Gregory progetta un telescopio a riflessione. Nel 1672 il francese Laurent Cassegrain (1629 -1693 ca.) progetta un telescopio simile a quello di Gregory. Lo stesso anno (1672) Newton, che ha compreso che la luce bianca non è semplice, ma composta di colori, ognuno dei quali è rifratto di un angolo leggermente diverso da un obiettivo, giunge allo conclusione che lâaberrazione cromatica è intrinseca ai telescopi a rifrazione.
Il telescopio a riflessione di Gregory evita questo problema, ma è piuttosto complesso, in quanto ha due specchi, uno dei quali deve essere forato. Quello di Newton è un poâ piĂš semplice: ha uno specchio primario in fondo al tubo e un piccolo specchio secondario piano e inclinato di 45° rispetto al tubo, che riflette la luce fuori del tubo, dove è collocato un oculare. Il telescopio di Newton è costruito nel 1671 ed è presentato alla Royal Society nel 1672. I riflettori aboliscono lâaberrazione cromatica e quella sferica e sono mediamente piĂš piccoli dei telescopi a rifrazione, tuttavia non determinano la scomparsa di questi ultimi, a causa della scarsa riflettivitĂ degli specchi dellâepoca, che riflettono non piĂš del 60% della luce incidente.
La ...