Mappa del sito                                                                                                     Programma della lezione


(16)  Le leggi di Newton sul moto
1.   La forza e l'inerzia

 Isaac Newton

Isaac Newton nacque nel 1642, l'anno in cui morì Galileo. Quasi tutti i suoi anni creativi trascorsero all'Università di Cambridge, in Inghilterra, prima come studente, e in seguito come un onorato professore. Non si sposò mai, e la sua personalità continua ad incuriosire gli studiosi fino ai nostri giorni: riservato, talvolta criptico, coinvolto in beghe personali con alcuni scienziati, e altre volte generoso con altri, rivolse la sua attenzione non soltanto alla fisica e alla matematica, ma anche alla religione e all'alchimia.

L'unica cosa su cui tutti sono d'accordo è il suo brillante talento. Tre erano i problemi che occupavano la mente degli scienziati ai tempi di Newton: le leggi del moto, le leggi delle orbite planetarie, e la matematica delle grandezze variabili con continuità -- un campo noto oggi come calcolo [differenziale e integrale]. Si può affermare tranquillamente che Newton fu il primo a risolverli tutti e tre. Nessuna meraviglia quindi che il poeta Alexander Pope, che visse ai tempi di Newton, scrisse:

      La Natura e le sue leggi erano avvolte nelle tenebre.
      Dio disse: "Sia Newton!" e su tutto la luce rifulse.


        "Le tre leggi di Newton sul moto" (o "Principi della dinamica") costituiscono il fondamento della teoria del moto, per esempio, dei pianeti e dei razzi.
        Questa sezione discute due concetti su cui queste leggi sono basate:
Forza     e     Inerzia


Per futuri riferimenti, le tre leggi di Newton sono riportate qui di seguito nella loro formulazione classica :


  1. In assenza di forze, un "corpo" in quiete resta in quiete, e un corpo che si muova a velocità rettilinea e uniforme continua così indefinitamente.


  2. Quando una forza è applicata a un oggetto, esso accelera. L'accelerazione a è nella direzione della forza ed è proporzionale alla sua grandezza, ed è inversamente proporzionale alla massa dell'oggetto. Con le opportune unità:

    a = F/m

    o, come si trova in genere nei libri di testo

    F = m a

    Più accuratamente, bisognerebbe scrivere

    F = ma

    dove sia F che a sono vettori con la stessa direzione (indicati qui in grassetto). Tuttavia, quando si considera una singola direzione, si può anche usare la forma più semplice.


  3. "Il principio di azione e reazione", talvolta viene espresso come: "Per ogni azione esiste una reazione uguale e contraria". In modo più esplicito:

    Le forze sono sempre prodotte a coppie, con uguale grandezza e verso opposto. Se il corpo n.1 esercita una forza F sul corpo n.2, allora il corpo n.2 eserciterà sul corpo n.1 una forza di uguale grandezza e di verso opposto.


Tuttavia... "per assimilare un concetto", occorre andare oltre le definizioni formali e cercare un'idea intuitiva del significato. Spesso anche la scienza procede in questo modo. Si comincia con una "definizione di lavoro" provvisoria, poi, quando la si è ben compresa, la si sostituisce con una definizione più precisa. Questo è il procedimento usato qui. Le spiegazioni possono essere più lunghe, ma il procedimento è più facile per uno studente, ed evita la frustrazione dovuta a concetti introdotti troppo prematuramente.    

Il concetto di Forza

  Come definizione provvisoria, chiamiamo "forza" ciò che causa o cambia il moto.

  Una forza con cui ognuno è familiare è il peso degli oggetti, la forza che cerca di farli muovere verso il basso, di farli cadere verso il centro della Terra. Possiamo quindi misurare la forza (almeno per ora, provvisoriamente) in chilogrammi di peso, e considerare come una forza tutto ciò che può contrastare il peso. Per esempio, una molla a spirale può essere compressa o allungata da un peso, per cui si può dire correttamente che anche la molla esercita una forza quando è compressa o allungata.

  Analizzando le esperienze di ogni persona, compreso Newton, possiamo distinguere due situazioni fondamentali in cui una forza produce un movimento:

  1. La forza fa muovere un oggetto vincendo una resistenza esterna.
  2. La forza fa muovere un oggetto contro una trascurabile resistenza esterna.

1. Moto contro una resistenza esterna

  Questo tipo di moto sarà discusso in una prossima sezione, in connessione con il concetto di "lavoro." Vari esempi includono:
  • --Sollevare un libro dal pavimento al tavolo (la forza esercitata dalla mano che effettua il sollevamento deve contrastare la forza di gravità che tira verso il basso)
  • --Trascinare un tavolo lungo una stanza (l'azione della mano deve contrastare la forza di attrito del pavimento),
  • --Un aeroplano che vola a 1000 km/ora (la spinta dei motori deve vincere la resistenza dell'aria).
La velocità del moto non entra in questo discorso, per cui, in linea di principio, rientra in questo caso anche la situazione in cui la forza contrastante bilancia completamente la forza applicata, e quindi non vi è alcun moto:
  • --Un tavolo è appoggiato sul pavimento, e non si muove. La forza verso il basso dovuta al peso del tavolo incontra la resistenza del pavimento, che non gli permette di andare più giù. La velocità verso il basso è zero e le forze sono bilanciate, o "in equilibrio".

2. Moto senza una significativa resistenza

  Fu l'intuizione di Newton a notare che, in assenza di una resistenza esterna, il moto rettilineo uniforme continuerebbe indefinitamente. Non è necessaria alcuna forza. Questa è la Prima legge di Newton sul moto:

    "In assenza di forze esterne, il moto rettilineo uniforme continua indefinitamente".

  Un disco per il gioco di hockey sul ghiaccio può scivolare sul ghiaccio per grandi distanze, e più è levigato il ghiaccio, più lontano andrà. Newton si rese conto che quello che alla fine fermava il moto era l'attrito della superficie. Se si potesse produrre una superficie ideale di ghiaccio levigatissimo, senza attriti e di estensione infinita, il disco continuerebbe a muoversi all'infinito, senza mai fermarsi, nella stessa direzione e con la stessa velocità con cui era partito.

Quello che una forza può fare in assenza di resistenza è di aumentare la velocità dell'oggetto, cioè accelerarlo .  

Tuttavia... anche senza una resistenza esterna, rimane ancora una resistenza interna, da parte dell'oggetto stesso. Un astronauta che spingesse un satellite da una tonnellata fuori dal vano di carico della Navetta Spaziale si accorgerebbe subito che, anche se il satellite sembra "privo di peso", non si riesce a muoverlo facilmente. Con la spinta esercitata dall'astronauta, in realtà l'oggetto comincerebbe a muoversi, ma  m-o-l-t-o   m-o-l-t-o   l-e-n-t-a-m-e-n-t-e.  L'oggetto resiste ad essere messo in movimento, e, una volta in moto, resiste ad essere rallentato o fermato.

Newton chiamò inerzia questa resistenza interna al moto.

  Ovviamente, l'inerzia aumenta con la quantità di materia dell'oggetto. Una boccia da bowling è più difficile da far muovere e più difficile da fermare rispetto a un pallone di gomma delle stesse dimensioni.

  La boccia da bowling è anche più pesante, cioè è attratta verso il basso da una forza maggiore: ma il peso è un effetto della gravità, mentre l'inerzia non lo è. Queste due grandezze sembrano somigliarsi in qualche modo, e nella prossima sezione analizzeremo più in profondità questo argomento.

Curiosità:

  Le superpetroliere ("Grandi navi-cisterna per il petrolio") sono delle navi enormi che possono trasportare 150-300·000 tonnellate di petrolio grezzo a una velocità di circa 30 km/ora. Un carico così pesante comporta una enorme inerzia. Anche con i motori azionati all'indietro, a una superpetroliera occorre un miglio o anche più per fermarsi, ed è ugualmente difficoltoso farla virare. Comunque gli incidenti vanno evitati ad ogni costo, poiché la fuoriuscita di petrolio produce immensi danni ambientali.

  Il personale per la guida delle superpetroliere viene quindi addestrato in un istituto in Olanda, facendogli pilotare una piccola replica di una superpetroliera in un lago. La replica è lunga circa 8 metri, e il pilota vi siede all'interno, sporgendo soltanto con la testa. Anche se piccola, la barca è pesante e con un motore sottodimensionato. Il motore è del tipo di quelli usati per i piccoli fuoribordo, e anche il timone è in scala, molto piccolo. Quindi, anche se la barca ha una velocità nettamente minore di una superpetroliera, è comunque altrettanto difficile da controllare e da fermare (nello spazio limitato del lago), e quindi fornisce un buon addestramento per coloro che dovranno pilotare grandi e pesanti navi.

Per saperne di più

Vi è qui una una lista di collegamenti a siti Web relativi a Isaac Newton, alla sua vita e ai suoi lavori.

  Il ritratto di Newton all'inizio di questa sezione, forse quello che gli rassomiglia di più, fu dipinto nel 1689 da Godfrey Kneller, e per 150 anni la sua esistenza era nota solo a pochi. Per la sua storia e per alcuni altri ritratti dello scienziato, si può consultare "Images of Newton", Endeavour, 24 pag. 51-52, n. 2, 2000.

Il prossimo argomento: #17   La massa

            Cronologia                     Glossario                     Torna alla pagina iniziale

Autore e Curatore:   Dr. David P. Stern
     Ci si può rivolgere al Dr. Stern per posta elettronica (in inglese, per favore!):   stargaze("chiocciola")phy6.org

Traduzione in lingua italiana di Giuliano Pinto

Aggiornato al 14 Agosto 2005