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Le leggi del moto di Newton

Tre brevi regole che spiegano ogni spinta, urto, razzo e mela che cade nell'universo.

ForzeF = maInerzia
ProvaFai Massa piccola e Forza di spinta grande, e guarda Quanto accelera. Ora raddoppia Massa con la stessa Forza di spinta. Cosa succede a quanto in fretta accelera?
Cosa stai vedendoUn blocco sta su una pista. La freccia verde è la spinta che applichi; la freccia rossa è l'attrito che spinge indietro. Il blocco accelera mentre la spinta vince, poi torna all'inizio e riparte.
Cosa notare
Raddoppiare la massa dimezza l'accelerazione. La stessa spinta muove un blocco pesante più lentamente — è \(F = ma\). E se alzi Attrito abbastanza, il blocco non si muove affatto: l'attrito annulla la tua spinta, le forze si bilanciano, e la prima legge di Newton lo tiene fermo.

Niente si muove, si ferma o gira senza una forza

Livello Base — linguaggio semplice, senza matematica

Newton ridusse tutto il moto a tre regole, e la prima è la meno ovvia: le cose continuano a fare ciò che già stanno facendo. Una palla su un pavimento liscio rotola finché qualcosa — l'attrito, un muro, il tuo piede — la ferma. Un disco da hockey sul ghiaccio scivola per un'eternità. Pensiamo che gli oggetti rallentino naturalmente solo perché sulla Terra c'è sempre l'attrito che spinge in silenzio all'indietro. Togli l'attrito e il moto semplicemente continua. Questa riluttanza a cambiare si chiama inerzia.

La seconda regola è quella che senti ogni giorno: spingi qualcosa e accelera; spingi più forte e accelera di più; spingi qualcosa di più pesante e a malapena si muove. È \(F = ma\) messo in parole — la forza che applichi è uguale alla massa per l'accelerazione che ottieni. Un carrello della spesa lo dimostra perfettamente: vuoto, una spinta gentile lo mette in moto; carico di mattoni, la stessissima spinta lo muove appena.

La terza regola è quella sorprendente: ogni spinta viene con una spinta uguale all'indietro. Appoggiati a un muro e il muro spinge su di te con la stessa forza, ed è esattamente per questo che non lo attraversi cadendo. Un razzo scaglia gas caldo verso il basso e il gas scaglia il razzo verso l'alto. Un nuotatore spinge l'acqua all'indietro e l'acqua spinge il nuotatore in avanti. Le forze arrivano sempre in coppie, puntate in versi opposti — non puoi mai toccare senza essere toccato a tua volta.

Da sapere

  • Un razzo non spinge contro l'aria — spinge contro il gas che scaglia dal retro, ed è per questo che i razzi funzionano nel vuoto dello spazio.
  • Su ghiaccio senza attrito una spinta gentile ti terrebbe a scivolare per sempre. È l'attrito, non la natura, a fermare le cose.
  • Lascia andare un palloncino non annodato e sfreccia per la stanza: l'aria esce da un lato, il palloncino è spinto dall'altro — la terza legge di Newton nel tuo soggiorno.

Le tre leggi, rese quantitative

Livello Studente — le equazioni principali

Le tre leggi di Newton, pubblicate nei Principia nel 1687, sono il fondamento di tutta la meccanica. Prima: un oggetto resta fermo, o in moto rettilineo a velocità costante, a meno che una forza esterna netta agisca su di esso — il principio d'inerzia. Seconda, il cavallo da tiro: la forza netta è uguale alla massa per l'accelerazione, \(\mathbf{F}_{\text{net}} = m\mathbf{a}\), un'equazione vettoriale che applichi un asse alla volta. Terza: per ogni forza ce n'è una uguale e opposta, \(\mathbf{F}_{AB} = -\mathbf{F}_{BA}\), e cosa cruciale le due agiscono su corpi diversi.

Il trucco per usarle è il diagramma di corpo libero: disegna l'oggetto, segna ogni forza su di esso — la gravità \(mg\) che tira giù, la forza normale \(N\) di una superficie che spinge su, ogni spinta applicata e l'attrito — poi sommale come vettori. L'attrito resiste al moto fino a un limite \(f \le \mu N\); sotto quel limite un oggetto fermo semplicemente non si muove, perché le forze si bilanciano e \(\mathbf{a} = 0\). Spingi oltre il limite e accelera a \(a = F_{\text{net}}/m\).

Due conseguenze vale la pena imprimersi in mente. L'accelerazione è inversamente proporzionale alla massa — raddoppia la massa e la stessa forza fornisce metà dell'accelerazione. E il peso non è la stessa cosa della massa: il peso è semplicemente la forza della gravità su di te, \(W = mg\). Vola sulla Luna e la tua massa resta invariata, eppure il tuo peso scende di sei volte, perché lo fa \(g\).

Formule chiave

Prima legge\(\mathbf{F}_{\text{net}} = 0 \;\Rightarrow\; \mathbf{a} = 0\)inerzia
Seconda legge\(\mathbf{F}_{\text{net}} = m\mathbf{a}\)
Terza legge\(\mathbf{F}_{AB} = -\mathbf{F}_{BA}\)
Peso\(W = mg\)
Limite di attrito\(f \le \mu N\)
Accelerazione\(a = \dfrac{F_{\text{net}}}{m}\)

Da sapere

  • Massa e peso differiscono: la massa (kg) è quanta materia sei; il peso (newton) è la forza che la gravità esercita su di essa, W = mg.
  • Le cinture di sicurezza combattono l'inerzia: in un urto l'auto si ferma ma il tuo corpo continua a muoversi a velocità — la cintura fornisce la forza che ti ferma con essa.
  • Nel vuoto una piuma e un martello cadono insieme: la gravità dà a entrambi la stessa accelerazione, perché a = F/m e F = mg cancellano esattamente la massa.

Dalle tre leggi alla quantità di moto, ai sistemi di riferimento e ai loro limiti

Livello Esperto — profondità matematica completa

01La seconda legge riguarda in realtà la quantità di moto

Newton non scrisse \(F = ma\); scrisse \(\mathbf{F} = \dfrac{d\mathbf{p}}{dt}\), il tasso di variazione della quantità di moto \(\mathbf{p} = m\mathbf{v}\). Per massa costante questo collassa in \(m\mathbf{a}\), ma la forma con la quantità di moto è quella onesta: gestisce i razzi e altri sistemi a massa variabile, dove la massa viene espulsa, ed è la versione che sopravvive — opportunamente modificata — nella relatività.

02La terza legge è la conservazione della quantità di moto

Poiché le forze interne si cancellano in coppie uguali e opposte, la quantità di moto totale di un sistema isolato non cambia mai: \(\sum \mathbf{p} = \text{const}\). Questo è probabilmente più profondo dell'enunciato sulle forze stesso. Per il teorema di Noether discende dalla simmetria traslazionale dello spazio — il fatto che la fisica sia la stessa qui e altrove — e vale anche dove il quadro ingenuo azione-reazione fa fatica, come quando i campi elettromagnetici portano in silenzio quantità di moto propria.

03Sistemi inerziali e relatività galileiana

Le leggi valgono solo nei sistemi di riferimento inerziali (non accelerati). Entra in un sistema accelerato e devi inventare forze fittizie — centrifuga, Coriolis — per tenere in ordine la contabilità di \(F = ma\). Eppure tutti i sistemi inerziali sono equivalenti: nessun esperimento meccanico può individuare uno stato di quiete assoluta. Quel principio di relatività, già presente in Galileo e Newton, è il seme che Einstein fece crescere nella relatività ristretta.

04Dove Newton crolla

La meccanica newtoniana è un limite spettacolarmente accurato — basse velocità, gravità debole, dimensioni macroscopiche — non la legge finale. Avvicinati alla velocità della luce e la quantità di moto diventa \(\mathbf{p} = \gamma m\mathbf{v}\), così la forza non corre più parallela all'accelerazione. Rimpicciolisci a scale atomiche e la traiettoria netta si dissolve nella probabilità quantistica. Alza la gravità e la "forza" si rivela essere la curvatura dello spaziotempo. Le tre leggi sono il primo, superbamente utile capitolo della dinamica — e sapere esattamente dove falliscono è parte del capire perché funzionano così bene ovunque altro.

Formule chiave

Seconda legge (generale)\(\mathbf{F} = \dfrac{d\mathbf{p}}{dt}\)
Quantità di moto\(\mathbf{p} = m\mathbf{v}\)
Conservazione\(\sum \mathbf{p} = \text{const}\)sistema isolato
Quantità di moto relativistica\(\mathbf{p} = \gamma m\mathbf{v}\)\gamma = 1/\sqrt{1-v^2/c^2}

Da sapere

  • Newton enunciò la sua seconda legge come F = dp/dt (tasso di variazione della quantità di moto). F = ma è solo il caso speciale di massa costante.
  • La "forza" di Coriolis che arriccia gli uragani non è una forza reale — è la correzione che aggiungi per far funzionare F = ma nel sistema rotante e non inerziale della Terra.
  • La conservazione della quantità di moto è più fondamentale delle leggi di Newton: discende dalla simmetria dello spazio stesso e si trasferisce nella fisica quantistica e relativistica.

Fonti

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