En marzo de 1499, Leonardo trabajó como arquitecto e ingeniero militar para los venecianos que querían construir protecciones en su ciudad. Por este motivo, elaboró sistemas para defender la ciudad de un posible ataque naval de los turcos y, entre sus propuestas, destaca la invención de un tipo de escafandra submarina con un casco rudimentario. Los turcos no atacaron y el invento nunca fue utilizado. A finales de abril, volvió a Florencia y allí, después de hacer un estudio sobre los cursos de agua en el Friuli, propuso un sistema de esclusas para hacer posible el levantamiento del curso del río Isonzo y así poder inundar toda una región que cubría las cercanías de Venecia.
El 18 de octubre de 1503, regresó a Florencia, donde ejerció las funciones de arquitecto e ingeniero hidráulico. Se volvió a inscribir en el gremio de San Luc y le dedicó dos años (1503-1505) a la preparación y ejecución de La batalla de Anghiari, una pintura mural imponente de siete por diecisiete metros, mientras Miguel Ángel pintaba La batalla de Cascina en la pared opuesta. Las dos obras se han perdido. La obra de Miguel Ángel se ha conocido a partir de una copia de Aristotole da Sangallo de 1542, y la pintura de Leonardo la conocemos a partir de croquis preparatorios y de varias copias de la sección central, de las cuales sin duda la más destacada es la de Rubens. Parece ser que las causas de la alteración de la obra fueron el fuego que se utilizó para secar más rápidamente la pintura o la calidad del material usado; posteriormente fue recubierta, probablemente por un fresco de Giorgio Vasari.
A menudo, se consultaba a Leonardo como experto, como, por ejemplo, para estudiar la estabilidad del campanario de San Miniato al Monte y en el momento de la elección del emplazamiento del David de Miguel Ángel, sobre lo cual su opinión se oponía a la de éste. Fue en este período cuando presentó a la ciudad de Florencia su proyecto de desviación del río Arno, destinado, por una parte, a crear una vía navegable capaz de conectar a Florencia con el mar y, por otra, a permitir el control de las terribles inundaciones. Este período fue importante para la formación científica de Leonardo.
En 1502, fue solicitado por el príncipe César Borgia, duque de Valentinois e hijo del papa Alejandro VI, y obtuvo el cargo de «capitán e ingeniero general». Se quedó en las Marcas y en la Emilia-Romaña para inspeccionar las fortalezas y los territorios recientemente conquistados, llenando sus cuadernos de múltiples observaciones, cartas, croquis de trabajo y copias de obras consultadas en las bibliotecas de las ciudades que él visitaba. Allí se reencontró con Nicolás Maquiavelo, «espía» de Florencia al servicio de los Borgia.
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