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La cúpula, de 45,5 m de ancho, era originalmente una cúpula de madera construida por Arnolfo di Cambio. Construir una cúpula sobre el presbiterio conllevaba muchos problemas técnicos. Existía ya un modelo de ladrillo para la cúpula desde 1367 (como queda explicado en la Vida de Brunelleschi de Antonio Manetti, ca. 1480).
En 1419 tuvo lugar un concurso para diseñar una nueva cúpula (cupola en italiano) para la catedral. Los dos competidores más importantes eran Lorenzo Ghiberti (famoso por su labor en las «Puertas del Paraíso», en el baptisterio) y Filippo Brunelleschi.
Un desconocido arquitecto de la época llegó incluso a proponer que se llenara la catedral con tierra antes de levantar la cúpula a fin de construir la cúpula encima de la tierra moldeada (aún no se sabía de qué forma construir una cúpula con tanto peso y magnitud). Cuando se le preguntó cómo sacaría la tierra, se sugirió que la ciudad podría mezclar monedas con la tierra y los pobres, incidentalmente, vaciarían la cúpula.4
Brunelleschi se inspiró en la cúpula del "doble pared" o "doble casco" del Panteón de Roma. Con la ayuda de Donatello y Nanni di Banco construyó un modelo de madera y ladrillo (exhibido en el Museo de la Opera del Duomo). Brunelleschi ganó por poco. Su modelo sirvió como guía para los artistas, pero intencionadamente lo presentó incompleto con la finalidad de asegurar su control sobre la construcción.
Las soluciones del artista eran ingeniosas y sin precedentes como el peculiar diseño octogonal de doble casco: la cúpula se eleva sobre un tambor octogonal, lo que permitía que la cúpula entera fuera construida desde la superficie, sin necesidad de andamios, que suponían un elevado costo.
Esta enorme construcción pesa 37.000 toneladas métricas y contiene más de 4 millones de ladrillos. Brunelleschi hizo varios modelos y dibujos durante su construcción. Tuvo que inventar máquinas elevadoras especiales y grúas para izar las piedras grandes. Estas máquinas especialmente diseñadas y las brillantes técnicas de albañilería fueron las espectaculares contribuciones a la arquitectura de Brunelleschi. En la cúpula se utilizaron también refuerzos horizontales de tirantes de piedra y hierro, preparando el camino para las ideas de reforzamiento de hierro y acero que se utilizarían siglos después, como el caso del hormigón.
Pese a la resolución del concurso, ambos arquitectos fueron los encargados de llevar a cabo la obra. No hubo consenso. Ghiberti se burló de estos planos y los tildó de imposibles. Brunelleschi, profundamente ofendido, simuló una enfermedad y partió para Roma, dejando el proyecto en las manos de Ghiberti. Pero Ghiberti pronto se dio cuenta de que no estaba capacitado para llevar a cabo la obra por sí solo. En 1423 Brunelleschi regresó asumiendo la responsabilidad total de su construcción.
La cúpula vista desde el interior, con los frescos de Giorgio Vasari.
El trabajo de la cúpula comenzó en 1420 y fue completado en 1436. La catedral fue consagrada por el papa Eugenio IV el 25 de marzo de 1436 (el primer día del año de acuerdo con el calendario florentino). Fue la primera cúpula octogonal en la historia que se construyó sin el soporte de un armazón de madera (el Panteón de Agripa fue construido entre 118 y 128 sin estructuras de soporte, pero se trata de una cúpula redonda) y fue la mayor cúpula construida entonces (todavía es la cúpula de albañilería más grande del mundo). Fue uno de los logros más espectaculares del Renacimiento.
La idea de Brunelleschi para coronar la cúpula con una gran linterna fue puesta en duda, dando lugar a otro concurso. Sus competidores fueron Lorenzo Ghiberti y Antonio Cachieri: Brunelleschi resultó ganador. Su diseño era para una linterna octogonal con ocho arbotantes en radio y ocho ventanas arqueadas (ahora exhibidas en el Museo de la Opera del Duomo). La construcción de la linterna se inició unos meses antes de su muerte, en 1446. Su construcción se ralentizó durante 25 años sin que su progreso fuera notable, debido a las intervenciones realizadas por varios arquitectos. Finalmente fue completada por su amigo Michelozzo en 1461. El tejado cónico fue rematado por Verrocchio en 1469, con una capa de cobre y una cruz que contenía reliquias. Éste utilizó una grúa especialmente diseñada por Leonardo da Vinci. Esta última estructura supone una altura total de 114,5 m entre la cúpula y la linterna. La cubierta de cobre fue golpeada por un rayo el 17 de julio de 1600 y se cayó. Fue reemplazada por otra, aún más grande, dos años más tarde.
La decoración del tambor de la galería, realizada por Baccio d’Agnolo, nunca fue acabada porque fue desaprobada por Miguel Ángel.
La construcción de la catedral, empezada en 1296 con el diseño de Arnolfo di Cambio, fue acabada, pues, en 1469 por Verrocchio con el ciborio de cobre en la linterna. Pero la fachada principal aún estaba por completarse y seguiría así durante siglos.