Primo principio della Dinamica: principio di inerzia

Nella precedente lezione abbiamo introdotto i tre principi della Dinamica, proponendone velocemente gli enunciati e ripromettendoci di trattare, successivamente, ciascuno dei tre principi nel dettaglio. Ora è il momento di entrare nel dettaglio del primo principio della Dinamica, detto anche prima legge di Newton nonché principio di inerzia.

 

Qui di seguito presenteremo l'enunciato del primo principio della Dinamica che, come vedremo, non richiederà la scrittura di formule bensì una spiegazione concettuale.

 

Ovviamente, per quanto cercheremo di rendere la spiegazione facilmente digeribile, non ometteremo alcun dettaglio e oltre ad alcuni esempi ci soffermeremo sulla validità del principio di inerzia, per poi riprenderlo nelle lezioni successive.

 

Introduzione al Primo Principio della Dinamica

 

Prima di proporre l'enunciato del primo principio della Dinamica dobbiamo fare un piccolo passo indietro e tornare al XVI secolo. :)

 

Fino al 1600 era idea comune che lo stato naturale dei corpi fosse lo stato di quiete; si pensava infatti che qualunque corpo in moto tendesse per sua natura a fermarsi e, una volta fermatosi, continuasse a rimanere fermo.

 

In effetti quest'idea non è lontana dalla nostra esperienza comune: se lanciamo un oggetto sul pavimento, questo prima o poi si fermerà sicuramente!

 

Galileo provò però a pensare ad un ipotetico esperimento, modificando completamente l'approccio al problema: se lanciamo un disco da hockey sulla superficie di una strada, questo di certo si fermerà e ciò avverrà a causa dell'attrito, cioè a causa dello sfregamento del disco sulla superficie, che inevitabilmente lo rallenterà fino a fermarlo.

 

Supponiamo però di scegliere una superficie particolarmente liscia, come ad esempio una lastra di ghiaccio: in questo caso l'attrito sarà di gran lunga inferiore rispetto alla strada e il disco impiegherà decisamente più tempo a fermarsi, percorrerendo diversi metri in più.

 

Ora spostiamoci in una sala giochi e giochiamo all'hockey da tavolo: qui il disco scivola su un cuscino d'aria che lo tiene sospeso rispetto al piano del tavolo. L'attrito è quasi del tutto scomparso e vediamo che il disco, una volta lanciato, prosegue a velocità costante.

 

Se eliminiamo l'agente esterno che rallenta il disco, allora non si fermerà più!

 

In buona sostanza la vera natura dei corpi non è quella di tendere ad uno stato di quiete, quanto piuttosto di perseverare nel proprio stato di moto, fintanto che non intervenga una forza esterna a modificarlo. Questa tendenza viene chiamata inerzia e senza nemmeno rendercene conto abbiamo appena visto il significato del principio di inerzia...

 

Enunciato del primo principio della Dinamica

 

Isaac Newton diede una breve-ma-intensa formulazione del primo principio della Dinamica in quella che oggi viene anche chiamata "la prima legge di Newton" o anche principio di inerzia:

 

 

se la somma delle forze che agiscono su un corpo è nulla, allora un corpo in quiete rimarrà in quiete e un corpo in moto continuerà a muoversi di moto rettilineo uniforme.

 

 

Per quanto possa sembrare enigmatico, una spiegazione un po' più diluita e condita da diversi esempi ci permetterà di comprendere agevomente il significato del principio di inerzia. ;)

 

Spiegazione ed esempi sul Primo Principio della Dinamica

 

Cerchiamo di capire cosa dice il primo principio della Dinamica in parole povere. Dobbiamo comprendere il significato di ciascuna delle parti presenti nell'enunciato, analizzandola nel dettaglio, per poi ricomporre e rileggerne il significato nel quadro d'insieme.

 

 

Se la somma delle forze che agiscono su un corpo è nulla...

 

 

Su di un corpo può non agire alcuna forza oppure possono agire più forze, ad esempio che lo spingono o che lo tirano. Tali forze si possono sommare, ed è possibile che la somma di tutte le forze sia zero. È proprio questo il caso che il primo principio della Dinamica ci chiede di considerare.

 

È importante enunciare il principio di inerzia parlando di "somma delle forze" o "forza risultante", perché ciò che ci viene chiesto di considerare non è una singola forza ma l'insieme di tutte le forze che agiscono su un corpo.

 

 

...allora un corpo in quiete rimarrà in quiete...

 

 

Quando si parla di stato di quiete si intende lo stato di un corpo fermo rispetto ad un certo sistema di riferimento. Dunque se un corpo è in quiete, la sua velocità è nulla.

 

Se considero un corpo fermo e so che su tale corpo agiscono più forze, la cui somma è zero, allora so che il corpo resterà fermo e non sarà indotto a muoversi in nessuna direzione.

 

Pensate al gioco della fune: un gruppo di persone tira la fune verso destra mentre il gruppo avversario tira verso sinistra; se i due gruppi tirano con la stessa identica forza, ognuno dalla propria parte, la somma delle forze sarà zero e tutto rimane fermo.

 

 

Nota bene: la parte dell'enunciato relativa ai corpi in quiete è valida anche al rovescio, nel senso che se un oggetto fermo allora la somma di tutte le forze che agiscono su di esso è necessariamente nulla.

 

 

...e un corpo in moto continuerà a muoversi di moto rettilineo uniforme.

 

 

Completiamo l'analisi dell'enunciato del primo principio della Dinamica passando alla parte relativa ai corpi in movimento. Immaginiamo di essere nello spazio, lontani da qualsiasi stella o pianeta, e di lanciare un oggetto imprimendogli una certa velocità.

 

Non essendoci aria che possa ostacolare il moto dell'oggetto per attrito, ed essendo lontani da qualsiasi corpo celeste che possa attirarlo a sé per effetto dell'attrito, sul corpo non agiscono forze (risultante delle forze nulla).

 

L'oggetto proseguirà nel suo viaggio di moto rettilineo uniforme con la stessa velocità che gli è stata impressa all'inizio e il suo potrebbe essere potenzialmente un viaggio eterno.

 

 

Nota bene: anche per questa parte dell'enunciato vale una lettura alla rovescia. Se osserviamo un corpo in moto rettilineo uniforme, sappiamo che la somma delle forze che agiscono su di esso è necessariamente nulla.

 

Ad esempio, un treno ad alta velocità in moto con una velocità costante di 300 km/h (moto rettilineo uniforme), allora sappiamo che su di esso la somma di tutte le forze è necessariamente nulla. Infatti vi saranno la forza del motore che lo spinge in avanti e la forza d'attrito dell'aria e delle rotaie che lo spinge indietro, con la stessa intensità. Di conseguenza le forze si annullano e il treno prosegue il suo viaggio a velocità costante.

 

 

Validità del primo principio della Dinamica

 

Per concludere, dobbiamo dire che la prima legge di Newton non è valida in qualunque sistema di riferimento ma solo nei sistemi cosiddetti "inerziali", ovvero quei sistemi che si muovono gli uni rispetto agli altri di moto rettilineo uniforme.

 

"Oddio, e me lo dite solo ora, alla fine, in una frase?" Tranquilli ;) approfondiremo questo aspetto in una delle prossime lezioni.

 

 


 

Nelle lezioni successive passeremo ad occuparci del secondo principio della Dinamica e del terzo principio della Dinamica. Nel frattempo, per qualsiasi dubbio o esercizio, vi suggeriamo di usare la barra di ricerca interna: lo Staff ha già risposto a migliaia e migliaia di domande! ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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