Pisa fu prescelta quale centro per assicurare i mezzi e gli strumenti necessari alla realizzazione della nuova ambiziosa politica mediterranea di Cosimo I. La sua ubicazione rendeva peraltro facile il rifornimento di legname, reperibile nei boschi dei monti pisani o della vicina Garfagnana, o comunque ben trasportabile grazie alla via d’acqua del fiume Arno.
Una delle prime iniziative di Cosimo I riguardò l’arsenale. Un cantiere navale mediceo funziona già a metà degli anni quaranta del XVI secolo, nella stessa area dove si costruivano le imbarcazioni della Repubblica pisana, ed a fianco delle strutture create dai fiorentini nel Quattrocento per le proprie galere.

Nell’età comunale l’attività cantieristica era stata ristretta nella Tersana, ma quando si rese necessario varare in Arno galere di dimensioni superiori, Cosimo scelse l’area fra l’arsenale repubblicano e il monastero di S.Vito, dove già si armavano le galere. In realtà, la situazione urbanistica di Pisa impose delle vere e proprie scelte obbligate. Si doveva infatti realizzare il nuovo arsenale nella parte ovest della città, per evitare l’attraversamento della città ed essere così il più vicino possibile al mare, mentre l’esiguità dello spazio compreso fra le mura e la chiesa di San Paolo a ripa d’Arno costrinse ad edificare dall’altra parte del fiume, cioè appunto nelle adiacenze della Cittadella, territorio occupato– in buona parte – dal monastero di San Vito.

Verso il 1547 si ha già notizia del varo di una galera interamente costruita a Pisa, “La Pisana”, nel 1549 venne varata la “San Giovanni”, nel 1551 la “Toscana” e nel 1553 la “Padrona”. Il duca nel frattempo provvide all’acquisto dell’intero terreno del monastero, con tutti i suoi possedimenti fondiari, e ottenne la concessione della Chiesa di San Lorenzo alla Rivolta, ampliando così l’estensione ed il numero degli edifici dell’arsenale, con la costruzione di otto capannoni. Contemporaneamente, il vecchio arsenale venne destinato all’allevamento dei cavalli dell’esercito. Nel 1559 si avviò la realizzazione di altre galere, si ricordino tra queste almeno la “Livornina”, passata alla flotta stefaniana, e la “Grifona”.
L’attività cantieristica crebbe rapidamente raggiungendo notevoli livelli di operosità, e si allestirono anche fondaci dove realizzare le tele destinate alle velerie.

La struttura dell’arsenale, prima delle trasformazioni settecentesche, doveva presentarsi come ben poco omogenea, seppur è da notare un indubbio miglioramento costruttivo allontanandosi dalla parte adiacente a San Vito ed attribuibile alla maggiore influenza di Bernardo Buontalenti, l’architetto che aveva fornito disegno ed assistenza per la realizzazione dell’edificio. La struttura centrale era articolata in otto navate di assai semplice struttura, grandi archi in laterizio su pilastri, tetto a capanna, a pianta sghemba così da permettere maggior libertà di accesso da entrambi lati senza le strettoie delle pilastrature, di dimensioni complessive ben superiori al così detto “arsenale Repubblicano”, costruito in realtà a metà Quattrocento ad opera di Francesco della Luna.
Nonostante le difficoltà, soprattutto economiche e di reclutamento di esperti tecnici e personale addetto ai lavori, l’arsenale pisano si espanse a ritmi febbrili. In quest’epoca il cantiere è il maggiore del Tirreno, superando sia per superficie impiegata che per numero di tettoie, quello genovese. Nel 1563, per consentire ulteriori ampliamenti, si trasferì il Giardino dei Semplici, ed i lavori continuarono per oltre un ventennio, terminando nel 1588, con Ferdinando I. Questo granduca, oltre ad ampliare la darsena livornese, intraprese lavori di ricostruzione e mantenimento della struttura del cantiere pisano, dove si assistette a una ripresa importante dell’attività cantieristica. Si vararono infatti in Arno nel giro di breve tempo due galere bastardelle e la sfarzosa galera “Capitana”, sulla quale si sarebbe dovuta imbarcare la principessa Maria Medici per recarsi a Marsiglia e lì andare in sposa al re di Francia Enrico IV, mentre alcune fonti ci riferiscono della realizzazione di una galera l’anno per tutto il governo di Ferdinando.

In realtà, una ispezione presso l’arsenale pisano, nel 1598, mette già in evidenza l’eccesso di manodopera, scarsamente preparata, presso l’opificio ed il cantiere, la cattiva amministrazione delle risorse e dei materiali, oltre ad avvertire come le galere ivi allestite presentavano difetti sia nella fase di costruzione che di progettazione. Simili relazioni negative si ripeterono anche negli anni successivi, seppure non bastarono a porre fine alle attività.

I successori di Cosimo non vollero riconoscere se non dopo molti anni le difficoltà dell’arsenale pisano, e preferirono piuttosto impiegare le maestranze sottoutilizzate di quella struttura per eseguire lavori di falegnameria per l’arredamento delle residenze medicee, mentre l’opificio e il taglio delle pietre riusciva ad assicurare ancora utili non disprezzabili. Il costo di mantenimento delle strutture si fece però sempre più alto, mentre la politica di dominio di Cosimo fu sostituita da un diverso atteggiamento. Dai primi del Seicento in poi, infatti, l’elezione della guerra di corsa da parte della flotta medicea e l’ascesa dello scalo livornese, cambiarono profondamente le esigenze. Pisa finì per delegare sempre più spesso i lavori all’arsenale di Livorno, acquisendo così le caratteristiche di un grande magazzino, di una struttura di supporto, comincia a scarseggiare il legname – che viene acquistato adesso nello Stato pontificio - mentre, anche a livello professionale, le esigenze dell’agricoltura finiscono per prevalere sulle tradizioni marinaresche.
Inoltre, a partire dalla fine del XVI secolo, i costi di materie prime e manufatti necessari alla costruzione delle imbarcazioni crebbero notevolmente, a Pisa come in tutta l’area mediterranea, tanto che persino Genova e Venezia finirono per ricorrere alle più economiche imbarcazioni nordiche.

Così, fin dalla metà del Seicento, le ambizioni dell’arsenale di Cosimo appaiono ormai solo un ricordo di splendori passati, mentre i capannoni ospitano barche e barconi da vendere a privati e di piccolo cabotaggio. Al di là delle critiche ripetute alla disorganizzazione e all’eccesso di improvvisazione, la crisi di questo cantiere fu soprattutto causa della progressiva preponderanza delle rotte atlantiche, sulle quali era necessario dotarsi di imbarcazioni con caratteristiche tecniche e dei materiali ben diverse da quelle realizzabili a Pisa.

Nel 1731 vi verranno acquartierati alcuni contingenti di cavalleria spagnola finché, con la fine della dinastia Medici e l’arrivo degli Asburgo-Lorena, si pose definitivamente fine alle attività cantieristiche, destinando l’arsenale a stalla del reggimento dei dragoni granducali. Con gli anni, ma soprattutto il cambiamento nell’utilizzo della struttura, l’arsenale subì notevoli trasformazioni complessive. Le più notabili furono quelle apportate nella seconda metà del XVIII secolo, quando lo spazio venne riorganizzato per il miglior ricovero dei cavalli: venne lastricato il piano e tamponati gli archi nei lati esterni, oltre alla realizzazione delle poste. L’adattamento a scuderie previde inoltre l’occlusione a muratura delle arcate, che vennero munite di portone d’ingresso e finestroni superiori. Rilevanti anche i rimaneggiamenti avvenuti nella seconda metà dell’Ottocento, quando vi fu sistemato il Deposito degli Stalloni, con l’abbattimento di sette campate e la realizzazione di un cortile interno.

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