Primo principio della dinamica

In questo appunto di fisica rivediamo il primo principio della dinamica formulato da Newton, noto anche come principio d'inerzia. Esaminiamo in particolare la definizione di sistema inerziale, e il concetto di massa inerziale. Siamo tutti i soggetti alle leggi del moto di Newton anche se non riconosciamo.non possiamo muovere il nostro corpo, guidare un’automobile o lanciare una palla in modo da violare le leggi formulate da Newton.la nostra stessa esistenza è vincolata e regolata da queste tre leggi, o principi che riguardano la materia e il suo moto.

Concetti introduttivi della dinamica

. Una descrizione cinematica del moto dell’automobile è la seguente: un’automobile che accelera di

da ferma raggiunge la velocità di

in 4 s, e percorre, nel frattempo, una distanza di 56 m.
Come fa il motore a mettere in movimento le ruote?
Le ruote a contatto con l’asfalto, come fanno a spingere in avanti la vettura?
La presenza dell’aria ha influenza sul moto dell'automobile?
Per rispondere a domande di questo tipo bisogna fare ricorso alla dinamica: la parte della fisica che descrive le relazioni fra il moto dei corpi e le forze che agiscono su di essi.
Con la dinamica entrano in scena altri due grandezze fisiche forza e massa che si aggiungono alle quattro grandezze cinematiche: tempo, spostamento, velocità e accelerazione.
I vari tipi di forze sono la causa delle variazioni del moto: un oggetto fermo può essere messo in movimento da una forza e un oggetto in movimento può essere frenato. La massa è la grandezza che misura la resistenza opposta dai corpi all’azione delle forze. Cinematica e dinamica sono due aspetti della meccanica classica, la teoria che predice la modalità e spiega le cause dei moti di tutti i corpi macroscopici. Ricordiamo che la meccanica classica non è applicabile ai moti che si svolgono a velocità prossime alla velocità della luce. Per questi moti bisogna ricorrere alla teoria della relatività e ai moti su scala microscopica che sono descritti dalla meccanica quantistica.

Corpi soggetti a forze si muovo

Se riflettiamo un momento sugli oggetti che ci circondano ci accorgiamo che per mettere in movimento un corpo è sempre necessario l'intervento di una qualche forza. Ad esempio un sasso, o un foglio di carta, stanno fermi finché uno non li muove esercitando su di essi una certa forza muscolare, o finché la forza di gravità, o quella del vento, o un’altra forza qualsiasi non li metta in moto.
Un’automobile non può partire se non funziona il motore, il quale appunto serve ad esercitare la forza necessaria a farla muovere, a meno che la strada non sia in pendenza, nel qual caso la macchina può partire anche senza l’azione del motore, perché messa in moto dalla forza di gravità. Un animale o una persona se vuole muoversi deve mettere in azione la forza dei suoi muscoli. E così si potrebbe andare avanti con gli esempi, e si troverebbe sempre che il moto non si inizia senza l'azione di qualche forza.
Una volta iniziato il movimento, esso può continuare anche se non agisce più nessuna forza. Anzi se vogliamo che il corpo rallenti o che si fermi, allora dobbiamo applicargli nuovamente una forza, naturalmente diretta in senso opposto al movimento: se nessuna forza agisce su di esso, il corpo continua sempre a muoversi, e il suo moto è rettilineo ed uniforme. Per quanto questa legge possa sembrare, a prima vista, sorprendente e quasi in contrasto con le nostre osservazioni quotidiane, basta riflettere su alcuni fatti a tutti noi noti per convincersi della sua verità.

Per ulteriori approfondimenti sulla forza di gravità e legge di gravitazione universale vedi qua

Primo principio della dinamica, principio d’inerzia

Nell’opera di Galileo Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo pubblicato nel 1632 lo scienziato italiano immagina di seguire la discussione di tre intellettuali: Salviati (copernicano e innovatore), Simplicio (legato alle teorie aristoteliche) e Sagredo (neutrale).
Attraverso il loro dialogo Galileo costruisce un modello del moto di un corpo su cui agisce una forza totale nulla. In sostanza in questo brano si afferma che:

• lasciando cadere un corpo lungo un piano inclinato rivolto verso il basso (declive) questo corpo aumenta di continuo la propria velocità, cioè viene accelerato;
• lanciando lo stesso corpo su un piano inclinato in salita (acclive) si vede che il corpo diminuisce la propria velocità fino a fermarsi
• su di un piano orizzontale, né acclive né declive, la sfera non ha alcuna ragione per accelerare né per rallentare, quindi deve mantenere costantemente la stessa velocità

Nelle nostre esperienze di vita reale non assistiamo a tutto ciò: ad esempio una pallina lanciata lungo il pavimento non continua a muoversi per sempre ma prima o poi si arresterà. Lo stesso Galilei fornisce ancora una volta la risposta: tutto ciò avviene in condizioni ideali, ovvero in cui non vi è alcuna forza di attrito. In realtà sono proprio le forze d’attrito che provocano il rallentamento della pallina. Se queste non ci fossero il moto continuerebbe a velocità costante fino alla parete che delimita la stanza.

Enunciato del primo principio della dinamica
Un punto materiale mantiene costante la propria velocità se, e solo se, è soggetto a una forza totale nulla in particolare quando la velocità è nulla il corpo è inizialmente fermo e continua a rimanere fermo.
Per ulteriori approfondimenti sul piano inclinato vedi qua
Per ulteriori approfondimenti su Galileo Galilei

Inerzia e resistenze passive: attrito

Ogni corpo, se indisturbato, conserva la sua velocità, questa proprietà è l’inerzia. Un ciclista si trova su una strada piana, in partenza deve dare alcune energiche pedalate, ovvero deve esercitare una certa forza. Questa gli serve solo per iniziare il movimento. Per mettere in movimento un corpo fermo e per frenare o deviare un corpo che si muove bisogna necessariamente che intervenga una forza e questa sarà tanto più grande quanto un maggiore e l’inerzia del corpo. Una volta iniziato il moto, egli può smettere di pedalare, e la bicicletta continua a correre lo stesso con velocità quasi costante ossia con moto quasi uniforme. Se poi il ciclista vuole rallentare o fermarsi, allora dovrà mettere in azione i freni, i quali esercitano una forza tendente a opporsi al movimento: dunque si richiede una forza soltanto per iniziare, o per far cessare o comunque modificare il movimento. Nessuna bicicletta per quanto buona e ben lubrificata e perfettamente scorrevole cosicché esiste sempre un certo attrito che ha l’effetto di un leggerissimo freno e inoltre lo stesso effetto è prodotto anche dalla resistenza che l'aria oppone al movimento. L’attrito e la resistenza dell’aria sono resistenze passive ed è per questo motivo che il moto non continua all’infinito; se veramente non agisse alcuna forza allora il movimento sarebbe rigorosamente uniforme e non cesserebbe mai. Nella pratica non vedremo mai un corpo muoversi in definitamente di moto rettilineo uniforme questo dipende dal fatto che i corpi che ci circondano e in noi stessi non siamo mai realmente sottratti all'azione di qualsiasi forza. Più queste forze si riducono più il moto si avvicina a un moto uniforme rettilineo ed indefinito come accade nello spazio cosmico.

Per ulteriori approfondimenti sui principi della dinamica vedi qua

Sistema di riferimento inerziale

Siamo in auto e sul sedile passeggero abbiamo messo un pacco, stiamo viaggiando a velocità costante su una strada rettilinea, il pacco è fermo rispetto all’automobile. Se freniamo bruscamente, il pacco cade in avanti. Il moto della vettura diventa uniformemente accelerato, perciò il pacco accelera rispetto all’automobile, pur non essendoci alcuna forza che lo spinga in avanti. Rispetto alla strada tende a conservare la velocità che aveva prima della frenata. Questo significa che il principio d’inerzia è valido nel sistema di riferimento della strada, ma non in quello dell’automobile. In maniera più rigorosa nel sistema dell’automobile è valido fintanto che l’automobile si muove a velocita costante rispetto alla strada, non è più valido durante la frenata.
Un sistema di riferimento inerziale è un sistema non accelerato.
Tutti i sistemi in cui è valido il principio d’inerzia si chiamano sistemi inerziali.
Nei limiti di precisione delle misure realizzabili il principio d'inerzia è valido rispetto alle stelle nel sistema di riferimento delle stelle il nostro pianeta si muove di moto accelerato perché ruota intorno al proprio asse e ruota anche intorno al sole tuttavia l'accelerazione della Terra è abbastanza piccola da non compromettere la validità del principio d'inerzia punto i sistemi di riferimento terrestri possono essere considerati inerziali a meno che non si eseguano misure di grande precisione.

Per ulteriori approfondimenti sul moto accelerato vedi qua