Galilei, Galileo – Studi e metodo sperimentale

Galileo vs Aristotele

Galileo Galilei è stato un matematico, astronomo e fisico che nacque nel 1564 a Pisa, primo di sette fratelli.
È considerato "il padre della scienza moderna" poiché ha inventato il metodo scientifico-sperimentale, per cui la tesi che si sostiene deve basarsi sui fatti (oggettiva) e non su un "principio di autorità"(soggettiva, per esempio "Perché l'ha detto lui").
Proprio grazie a ciò, egli è riuscito a confutare la teoria Aristotelica sul moto dei corpi, per la quale lo stesso filosofo affermava che la velocità di un corpo era direttamente proporzionale alla sua massa: quindi un sasso 10 volte più pesante di una piuma sarebbe caduto con una velocità 10 volte maggiore.

Questa teoria, nata nel IV secolo a.C., era rimasta “in uso” per secoli e secoli, quasi “per inerzia” in quanto sopravviveva per il solo merito dell’autorità di Aristotele e dell’accettazione passiva da parte della popolazione.
Tuttavia Galileo si pose delle domande in merito, e non si limitò alla credenza popolare.
In particolare, immaginò una situazione in cui erano coinvolti due oggetti dotati di masse differenti, che quindi secondo la teoria Aristotelica sarebbero caduti con velocità differenti (chiamiamo v1 la velocità di quello più leggero e v2 quella del più pesante), e si domandò cosa sarebbe accaduto qualora questi oggetti, una volta legati tra loro, fossero dovuti cadere da una certa altezza.

In particolare, indagando sulla velocità finale, “di arrivo”, arrivò a due conclusioni in netta contrapposizione:

- si poteva pensare che la velocità finale fosse un valore compreso tra v1 e v2, poiché il corpo più “leggero” e “lento” con la sua velocità frenava quella di quello più “pesante” e “veloce”;

- non era sbagliato nemmeno ricondurre questi due corpi a uno solo, la cui massa derivava dalla somma di quelle dei corpi “di partenza”, che quindi sarebbe dovuto cadere con una velocità v3 data dalla somma di v1 e v2 sempre secondo quanto affermava il filosofo greco.

Tutto ciò, però, portava a scartare l’ipotesi poiché se essa fosse stata corretta, non si sarebbe mai potuti arrivare a due conclusioni completamente diverse, ma entrambe corrette.
A questo punto elaborò un metodo per verificare la sua ipotesi, ovvero che tutti i corpi, in assenza di attrito con l’aria, cadono nello stesso istante di tempo e con accelerazione costante.
In assenza di strumenti per misurare la velocità istantanea e per ridurre al massimo i possibili errori casuali in cui sarebbe potuto incorrere misurando intervalli di tempo molto brevi, si servì di un apparato sperimentale composto da:

- un piano inclinato leggermente scanalato;

- un regolo (metro) di ottone suddiviso in intervalli regolari;

- una sfera di bronzo

- un orologio ad acqua per prendere nota degli intervalli di tempo. Quest’ultima grandezza era ricavata a partire dalla quantità di acqua che fuoriusciva dall’orologio e si riversava in un secchio tramite un tubicino detto “cannello”.

A questo punto, dopo numerosi tentativi e dopo aver osservato e studiato il fenomeno in questione, notò una precisa relazione di proporzionalità diretta che intercorreva tra lo spazio percorso e il quadrato dell’intervallo di tempo, che riassunse nella legge oraria dello spazio, s = ½ at^2 .
Tutto questo era generalizzato al caso in cui i corpi cadevano da una certa altezza, quindi come se il piano inclinato presentasse un’inclinazione di 90° con il suolo.

L’elaborazione del metodo sperimentale

Galileo era arrivato a queste conclusioni poiché si era posto delle domande a cui aveva cercato di dare una risposta non basandosi su assunti o principi di autorità, ma sui fatti osservati.
La teoria che si arrivava ad affermare doveva quindi essere oggettiva e verificabile, oltre che presentare il processo per giungervi (verifica sperimentale) ripetibile da chiunque in qualunque contesto.

In particolare, il suo metodo di lavoro può essere così suddiviso:

- Osservazione del fenomeno: Il moto dei corpi in caduta libera è influenzato dall’attrito con l’aria;

- Scelta delle grandezze fisiche atte a descriverlo: Lunghezza, intervallo di tempo, velocità e accelerazione

- Formulazione di un’ipotesi: Tutti i corpi lasciati cadere da una certa altezza atterrano nello stesso istante di tempo e con accelerazione costante se il loro moto non è influenzato dall’attrito con l’aria;

- Verifica sperimentale: Misura della relazione tra distanza percorsa e intervallo di tempo impiegato in un piano inclinato di 90° rispetto al suolo.

- Enunciazione della legge e conclusioni: s = ½ at^2

In virtù di quanto osservato nella verifica sperimentale, in assenza di attrito con l’aria tutti i corpi lasciati cadere da una determinata altezza atterrano nello stesso istante di tempo e con accelerazione costante.

N.B. L’affermazione di Galileo è stata anche verificata in maniera empirica dallo studioso Robert Boyle, che ha lasciato cadere nello stesso istante oggetti diversi in un tubo da cui aveva aspirato l’aria, e dagli astronauti in una missione NASA sulla Luna del 1971, nella quale un martello e una piuma sono atterrati nello stesso istante dato che nel satellite l’attrito con l’aria è nullo o quasi del tutto irrilevante.