Prima legge della dinamica e rotaia a cuscino d'aria

RELAZIONE DI LABORATORIO

PRIMA LEGGE DELLA DINAMICA E ROTAIA A CUSCINO D'ARIA

Scopo dell'esperienza

SCOPO DELL'ESPERIENZA: Dimostrare la veridicità della prima legge della dinamica mediante una rotaia a cuscino d'aria.

La prima legge della dinamica - o principio di inerzia - afferma che se su un corpo non agisce alcuna forza oppure la somma vettoriale è 0 possono verificarsi due diverse situazioni: [1] Se il corpo è fermo continua a rimanere fermo. [2] Se il corpo è in movimento si muove di moto rettilineo uniforme.

Attrezzatura e descrizione

ATTREZZATURA e DESCRIZIONE: Per dimostrare tale principio è necessario adoperare un dispositivo che riduca l'attrito di un corpo in movimento; il laboratorio di fisica del Liceo Classico M.T. Varrone dispone di una rotaia a cuscino d'aria; cioè una rotaia metallica dotata di tanti piccoli fori, attraverso i quali si fa passare un flusso d'aria compressa. L'aria tiene sospeso un carrellino poggiato sulla rotaia e questi, scorrendo, non striscia su di essa. L'attrito viene così in gran parte eliminato. Tale rotaia dispone anche di due cellule fotoelettriche che azionano un cronometro; ma poiché queste non funzionano, il cronometro è usato manualmente. E', perciò, possibile commettere degli errori. L'aria è sparata nella rotaia da un compressore posto vicino al dispositivo; l'aria permette al carrello di muoversi, spinto sia dalla forza peso che dalla reazione vincolare. Il carrello non è posizionato all'inizio dell'apparecchiatura per evitare che subisca la forza della spinta dell'aria.

SCHEMA DI MONTAGGIO: Rotaia a cuscino d'aria

Richiami teorici

RICHIAMI TEORICI: La dinamica studia il moto dei corpi prendendo in considerazione le cause dello spostamento.

Scoprire perché un corpo si muove è un problema che ha impegnato scienziati e filosofi fin dall'antichità. Secondo Aristotele il principio fondamentale che regola il moto è la tendenza di ciascuno dei quattro elementi - terra, aria, acqua e fuoco - a ritornare alla propria sfera di appartenenza. Aristotele si presenta poco dogmatico e le sue deduzioni sono sottoposte a verifica sperimentale di tipo qualitativo. L'ipse dixit di Aristotele influenzò notevolmente il mondo antico e resistette fino al Seicento, quando fu scalzato da Galileo Galilei, inventore del metodo scientifico.

Galileo, però, pur individuando correttamente le proprietà del moto dei corpi, rinunciò a scoprire la causa della loro accelerazione. Sarà nel Settecento Isaac Newton a rilevare le cause dell'accelerazione e determinare la formulazione classica dei principi della dinamica.

La prima legge della dinamica - o principio di inerzia - afferma che se su un corpo non agisce alcuna forza oppure la somma vettoriale è 0 possono verificarsi due diverse situazioni: [1] Se il corpo è fermo continua a rimanere fermo. [2] Se il corpo è in movimento si muove di moto rettilineo uniforme.

Esperimenti di Galileo

Ciò è dimostrato da Galileo tramite due esperimenti. Il primo, il “pendolo di Galileo”, è costituito da un pendolo fissato a un sostegno, il quale se abbandonato da una certa altezza risale nuovamente raggiungendo la stessa quota di partenza. Anche se si modifica l'altezza del pendolo la traiettoria cambia ma non l'altezza raggiunta. Galileo dimostra la prima legge della dinamica avvalendosi anche di un secondo esperimento, “l'esperimento ideale”. Egli osserva che una sferetta che rotola giù da un piano inclinato, se fatta risalire lungo un altro piano inclinato, raggiunge sempre la stessa quota di partenza. Grazie all'esperimento ideale Galileo riesce a dimostrare l'infondatezza del pensiero aristotelico, immaginando il caso limite di un corpo che si muove su un piano orizzontale senza attriti. Ma tale esperimento non è riproducibile sulla Terra, ove è impossibile eliminare completamente l'attrito.

E' bene ricordare che il principio di inerzia non è sempre valido; infatti, è vero solo se il sistema di riferimento è inerziale, cioè non accelerato.

Domanda guida

DOMANDA GUIDA: E' necessario dimostrare che un corpo si muove di moto rettilineo uniforme; nel fare ciò, quindi, devo avvalermi di una tabella X e Y, per poi ricavare una retta passante per l'origine.
RACCOLTA DEI DATI: Tabulazione dei dati registrati durante l'esperimento, prendendo cinque misure per ogni distanza.

SPAZI TEMPI

20 cm • 1,24 sec

• 1,32 sec

• 1,21 sec

• 1,26 sec

• 1,26 sec

media 1,25 sec

SPAZI TEMPI

30 cm • 1,84 sec

• 1,98 sec

• 1,98 sec

• 1,90 sec

• 1,72 sec

media 1,88 sec

SPAZI TEMPI

40 cm • 2,64 sec

• 2,59 sec

• 2,64 sec

• 2,54 sec

• 2,25 sec

media 2,53 sec

SPAZI TEMPI

50 cm • 3,47 sec

• 3,21 sec

• 3,27 sec

• 3,29 sec

• 3,48 sec

media 3,34 sec

SPAZI TEMPI

55 cm • 3,87 sec

• 3,44 sec

• 3,40 sec

• 3,56 sec

• 3,57 sec

media 3,56 sec

ELABORAZIONE DEI DATI: Grafico realizzato su carta millimetrata

Conclusioni

CONCLUSIONI: Nonostante il dispositivo fosse obsoleto, è stato possibile dimostrare la prima legge della dinamica, poiché il grafico rappresenta quasi perfettamente una retta passante per l'origine. E', perciò, giustificabile un leggero margine d'errore, causato dalle strumentazioni.