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Nel 1418 l'Opera del Duomo annunciò un concorso pubblico per la costruzione della cupola con un bel premio di 200 fiorini d'oro - e una possibilità di fama eterna - per il vincitore. I principali architetti dell'epoca accorsero a Firenze per presentare le loro idee.
Dopo molte incertezze l'Opera del Duomo accettò di fare di Filippo Brunelleschi il sovrintendente del progetto della cupola e nominò Lorenzo Ghiberti, collega orafo del Brunelleschi, come co-soprintendente. I due uomini erano stati rivali dal 1401, quando avevano gareggiato per un'altra illustre commissione, le nuove porte di bronzo per il Battistero fiorentino. Ghiberti aveva vinto. Ora Brunelleschi, il cui progetto per la cupola era stato accettato senza riserve, era costretto a lavorare fianco a fianco con il suo rivale di successo.
La costruzione della cupola iniziò il 7 agosto 1420. Il modo usuale per costruire un arco o una cupola era di sostenerla con un'impalcatura chiamata "centinatura". Tuttavia, lo spazio aperto nella cattedrale era largo 42 metri, e i fiorentini volevano una cupola alta e svettante. Tutto il legname in Toscana non sarebbe bastato per fare la centinatura. Brunelleschi finì per costruire la cupola senza impalcature in modo tale che si sostenesse da sola man mano che il lavoro procedeva.
Le soluzioni di Brunelleschi per la cupola erano ingegnose, innovative e costose.
Il primo problema da risolvere era puramente tecnico: nessun meccanismo di sollevamento conosciuto all'epoca era in grado di sollevare e manovrare i materiali enormemente pesanti con cui doveva lavorare, comprese le travi di pietra arenaria, così lontano da terra. Qui Brunelleschi ha superato se stesso.
Inventò un paranco a tre velocità con un intricato sistema di ingranaggi, pulegge, viti e alberi di trasmissione alimentati da un singolo giogo di buoi che girava una barra di legno e il castello, una gru alta 65 piedi con una serie di contrappesi e viti a mano per spostare lateralmente i carichi una volta che erano stati sollevati alla giusta altezza.
La forma ottagonale della cupola è sicuramente ispirata a quella del Battistero. L'intera struttura della cupola è progettata per essere leggera e sottile sia nella forma che nella sostanza. Infatti, da un tamburo ottagonale della cupola si ergono otto segmenti, le vele, disposti su due gusci separati da uno spazio. Brunelleschi intrecciò corsi regolari di mattoni a spina di pesce, poco conosciuti prima del suo tempo, nella trama della cupola, dando all'intera struttura ulteriore solidità.
Durante gli anni di costruzione Brunelleschi trascorse sempre più tempo sul cantiere. Ha supervisionato la produzione di mattoni di varie dimensioni e ha partecipato alla fornitura di pietra scelta e marmo dalle cave. Guidò un esercito di muratori e scalpellini, carpentieri, fabbri, battitori di piombo, costruttori di botti, portatori d'acqua e altri artigiani. Il principale tra gli elementi che compongono la cupola è il suo uso della proporzione aurea, che era in voga all'epoca. Nel contemplare questo capolavoro, si nota che i suoi costruttori hanno fatto uso di equilibrio e armonia tra ciascuna delle sue parti. Ogni elemento architettonico contribuisce alla stabilità della cupola che si erge senza strutture di sostegno.
Un altro di questi elementi cruciali è la lanterna, in cima alla quale poggia la palla di bronzo costruita dal Verrocchio nel 1472. Per posizionare la palla si usavano macchine inventate da Brunelleschi. Il giovane Leonardo da Vinci figurava tra gli apprendisti che aiutarono in questa difficile operazione.
La cupola è un capolavoro di bellezza e ingegneria, una costruzione pionieristica per il suo tempo, e per molti versi rimane ineguagliata. Come maestro delle illusioni, Brunelleschi era noto a Firenze per aver fatto credere alla gente cose che non esistevano. La costruzione della sua cupola scatenò anni di dibattito su quale fosse il "trucco magico" che forniva il risultato che stava davanti a tutti, cioè come la cupola ottagonale fosse in grado di stare in piedi! Ancora oggi, nonostante siano stati condotti studi approfonditi e siano state fatte molte nuove scoperte, si discute su quale sia stata l'ingegnosa soluzione trovata dall'architetto Filippo Brunelleschi.
