Dinamica del punto materiale

Dinamica del punto materiale

Definizione e misura di una forza

Il moto del punto è stato descritto per mezzo di vettori. Il moto di un punto materiale è determinato dall’ambiente circostante, cioè dalla natura e dalla disposizione degli altri corpi che circondano il punto stesso. Alcune semplici considerazioni sperimentali saranno utili a chiarire i problemi del tipo:

• Un corpo privo di sostegno in grado di sorreggerlo cade.
• Se all’estremità di una molla fissiamo un corpo, allungando la molla e poi rilasciando il corpo, otteniamo che esso si muove comprimendo e allungando la molla stessa.
• Una sferetta carica, posta nelle vicinanze di un’altra sferetta carica.
• Una calamita fissa provocherà il moto di un’altra calamita o di un pezzo di ferro lasciato libero di muoversi.

In ognuno di questi casi è evidente l’azione dei corpi circostanti sul corpo che si muove. La Terra esercita un’attrazione sui corpi, la molla allungata o accorciata frena o accelera il corpo fissato alla sua estremità, la carica fissa esercita un’attrazione o una repulsione sulla carica mobile e lo stesso fa il magnete naturale (calamita) sul pezzetto di ferro, sull’altro magnete o sul filo percorso da corrente elettrica. Si schematizza l’azione dell’ambiente circostante sul punto materiale in esame dicendo che su di esso viene esercitata una forza F. Questo ente risulta avere un carattere vettoriale.

A tale scopo ci riferiamo alla forza che la Terra esercita sui corpi circostanti, comunemente detta forza peso. Ogni corpo nelle vicinanze della superficie terrestre cade, attratto dalla Terra, lungo la verticale. Per misurare la forza peso introduciamo un corpo campione, ad esempio un cubetto di platino di lato fissato; la «forza peso» esercitata su questo cubetto sarà definita come «forza campione». Si osserva che, attaccando al gancio della molla due corpi campione insieme, essi producono una deformazione doppia, attaccandone tre si ha una deformazione tripla. Con ciò si sono definiti i multipli della misurazione, mentre se dividiamo i cubetti possiamo definire i sottomultipli della misurazione. Tale molla è detta dinamometro. Esistono altri metodi indiretti per la misurazione della forza.

Prima legge della dinamica o principio d’inerzia e «sistemi di riferimento inerziale»

Se un corpo è in moto, esso stia necessariamente subendo l’influenza del mondo esterno, ovvero l’azione di una forza. Ai tempi di Galileo si pensava che quando una forza smetteva di agire, il moto non avveniva più. L’affermazione decadde quando Galileo effettuò un’esperienza su di un piano inclinato, affermando che non sia necessaria alcuna forza per mantenere costante la velocità di un corpo. La grande intuizione di Galileo viene formulata in un principio che Newton chiamò «Principio di inerzia», detto anche «Principio d’inerzia di Galileo» o Prima legge di Newton. «In un sistema di riferimento inerziale un corpo non soggetto a una forza o è fermo o si muove di moto rettilineo uniforme».

Un buon sistema inerziale è quando si eseguono esperienze in tempi brevissimi, operativamente si sceglie un sistema di laboratorio, con la durata del fenomeno molto minore di 24 ore. Altrimenti si sceglie un sistema con origine nel Sole ed avente gli assi orientati verso le stelle fisse, come quando si vogliono studiare moti che coinvolgono il nostro sistema solare.

L’esperienza mostra che un punto materiale sotto l’azione di una forza, si muove con accelerazione proporzionale alla forza. La direzione e il verso di a coincideranno con quelli di F: il rapporto m, tra il modulo della forza e quello dell’accelerazione è indipendente dalla direzione e dal modulo della forza applicata, ovvero se sull’oggetto in esame si fa agire una forza doppia, tripla si osserva che l’accelerazione diventa doppia o tripla in maniera tale che il rapporto rimane costante.

F = ma = costante. Tale costante, caratteristica intrinseca del corpo è detta «massa inerziale». Per definizione è il rapporto tra i moduli F ed a. L’unità di misura della massa è data dal confronto con un cilindro di platino ed iridio di 39 mm di altezza.

Seconda legge della dinamica (o di Newton)

In natura possiamo distinguere 3 tipi fondamentali di forze, anche se in passato ne erano ben 5 riuscendo a schematizzare ed a dimostrare che le altre 2 rientravano nelle tre oggi fondamentali:

• Gravitazionale
• Elettromagnetica
• Nucleare

Supponiamo di avere due punti materiali interagenti tra di loro, C₀ e C₁. Si verifica sperimentalmente che F = F₁ + F₂, cioè che l’interazione tra C₀ e C₁ non è influente dalla presenza di altri corpi.