Dinamica - Forze, sistemi inerziali e leggi della dinamica

Dinamica

La dinamica è la scienza che studia e descrive le relazioni fra il moto di un corpo e le cause

Principio di relatività galileiana

Galileo, eseguendo un esperimento ideale, giunse alla conclusione che, dal interno di una «navicella», è impossibile valutare se questa è ferma o si muove di moto rettilineo uniforme. In altre parole egli constatò che non è possibile distinguere lo stato di quiete da uno stato di moto con accelerazione nulla.

Più precisamente si può affermare che: "Le leggi della fisica sono le stesse per tutti i sistemi di riferimento in moto rettilineo uniforme gli uni rispetto agli altri".

Forze, sistemi inerziali e leggi della dinamica

Dato un punto materiale libero di muoversi, la forza è una grandezza fisica che, se applicata a tale punto, è in grado di modificarne lo stato di moto o di quiete. La dinamica spiega le relazioni forze-moto attraverso le sue tre leggi fondamentali. Esiste almeno un osservatore per il quale, se un punto materiale è fermo e su di esso non agisce alcuna forza, questo rimane fermo. Questo osservatore si dice inerziale.

I sistemi di riferimento in moto traslatorio rettilineo uniforme rispetto a un sistema di riferimento inerziale sono anch'essi inerziali. Con buona approssimazione, un sistema inerziale è rappresentato dal sistema cosiddetto delle "stelle fisse.

La Terra non è un sistema di riferimento inerziale perfetto a causa dei suoi moti di rotazione e di rivoluzione attorno al Sole, tuttavia viene considerata una buona approssimazione di un sistema inerziale su brevi intervalli di tempo.

Il concetto di sistema di riferimento inerziale permette di enunciare la prima legge della dinamica o principio di inerzia: In ogni sistema di riferimento inerziale un corpo su cui non agisce alcuna forza o sul quale agiscono forze in equilibrio (a risultante nulla) mantiene il suo stato di moto (rettilineo uniforme) o di quiete.

In assenza di forze, la velocità vettoriale di un punto materiale rimane costante in assenza di forze non si può avere accelerazione. Così, una nave spaziale in movimento, sulla quale non adiscono forze continua a muoverci di moto rettilineo uniforme (a = 0) senza bisogno di alcun propulsore.

Per comprendere il principio di inerzia è necessario slegarsi dal senso comune secondo il quale per muoversi con velocità costante è indispensabile far uso di un motore.

Un'automobile, per esempio, si muove a velocità costante in autostrada solo grazie alla forza esercitata dal motore. Ma tale forza è in ogni istante uguale e contraria alle forze di attrito cui l'autovettura è soggetta, che si oppongono al moto. Si è quindi nella condizione di un corpo cui sono applicate forze a risultante nulla e per il quale vale la prima legge della dinamica.

Seconda legge della dinamica le due grandezze

Se si applica una forza Fa un corpo e si misura la sua accelerazione a, si nota una proporzionalità diretta tra le due grandezze: F / a = m

La costante di proporzionalità dipende dal corpo e prende il nome di massa inerziale. La massa inerziale di un corpo esprime l'inerzia (ossia la resistenza) che il corpo oppone a una variazione del suo stato di moto.

Dato un corpo di massa m, per imprimergli una accelerazione a è quindi necessario applicare una forza F tale che:

F = m • a -> dove m è la massa inerziale. (2)

Allo stesso modo, se su un corpo di massa m agiscono più forze, esso subisce un'accelerazione data dalla (2), dove F è la risultante delle forze applicate al corpo. Si noti che F = m • a è una relazione vettoriale.

Terza legge della dinamica o principio di azione e reazione
A ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria. Dati due corpi (1 e 2) interagenti si ha:

F1→2 =-F2→1 (3)

dove:
• F1→2 è la forza che il corpo 1 esercita sul corpo 2
• F2→1 è la forza che il corpo 2 esercita sul corpo 1.

Le forze sono vettori e la (3) è una relazione vettoriale. Quindi le due forze F1→2 e F2→1 hanno la stessa direzione e lo stesso modulo, ma verso opposto.
Una forza e la corrispondente reazione sono applicate l'una a un corpo e l'altra sull'altro.