Il primo principio della dinamica

Quando un corpo si muove, su di esso agiscono delle forze che possono influenzarne il moto. La dinamica è la parte della fisica che studia il modo in cui si muovono i corpi per effetto di tali forze che agiscono su di essi.

L’intuizione di Galileo

Già nel XVII secolo, Galileo Galilei aveva intuito che il moto di un corpo è influenzato da forze esterne che agiscono su di esso. Egli ipotizzò, infatti, che una pallina lanciata su un piano orizzontale con una certa velocità rallenta, fino a fermarsi; ciò è dovuto alla presenza di vincoli esterni, come la forza di attrito. Se non fosse ostacolata, la pallina continuerebbe a muoversi con velocità costante lungo il piano.

Tra gli esperimenti effettuati, descriviamo il moto di una pallina che viene lasciata rotolare su un piano particolare:

moto-pallina — Esperimento della pallina lasciata rotolare su un piano costituito da tra tratti distinti: discesa, tratto orizzontale, salita.

Nel primo tratto, il discesa, la pallina accelera, scendendo lungo i piano inclinato; percorre il tratto orizzontale, e successivamente comincia a risalire il tratto successivo; questo, in salita, ha un’inclinazione uguale a quello in discesa. Durante questo tratto, la sua accelerazione diminuisce sempre più, finché la pallina non si ferma e comincia a discendere; (ciò accade esattamente quando raggiunge la stessa altezza con dalla quale è partita).

Galilei notò che, anche variando l’inclinazione del secondo piano, la pallina raggiungeva sempre l’altezza da cui era stata fatta partire; quando l’angolo di inclinazione è più piccolo di quello del primo piano, la pallina percorre un tratto maggiore sul secondo prima di fermarsi. La decelerazione, quindi, è tanto più lenta quanto minore è l’inclinazione del piano.

Da esperimenti come questi, Galilei arrivò a delle conclusioni. In assenza di attriti, se non vi fosse un secondo piano inclinato, la pallina continuerebbe a percorrere il piano orizzontale con velocità costante, pari a quella con cui raggiunge la base del primo piano inclinato.

Il primo principio della dinamica

Le osservazioni di Galilei furono, poi, riprese da Isaac Newton, che enunciò i tre principi della dinamica, su cui si basa la meccanica classica; questi principi permettono anche di descrivere molti tipi di moti, fra cui quelli dei pianeti.

Il primo principio della dinamica, detto anche principio di inerzia, esplicita proprio le intuizioni di Galileo Galilei. Possiamo distinguere due parti del principio, che riguardano, rispettivamente, i corpi in quiete:

se la forza totale applicata ad un punto materiale che si trova in uno stato di quiete è zero, allora esso continuerà a rimanere fermo;

se un punto materiale si trova in quiete, allora la forza totale che esso subisce è uguale a zero;

e i corpi in movimento:

se la forza totale applicata ad un punto materiale che si muove di moto rettilineo uniforme è zero, allora esso continuerà a muoversi a velocità costante;

se un punto materiale si muove di moto rettilineo uniforme, allora la forza totale che esso subisce è uguale a zero;

In particolare, la tendenza che un corpo ha a rimanere nel suo stato di moto viene definita inerzia; l’inerzia è una proprietà intrinseca di tutti i corpi, ed è direttamente proporzionale alla loro massa.

Il primo principio della dinamica trova applicazione pratica in un esperimento di laboratorio, per cui si utilizza un disco a ghiaccio secco; questo permette di mostrare il moto di un oggetto nel caso in cui gli attriti sono ridotti al minimo.

Infatti, il disco è formato da una base circolare che libera biossido di carbonio allo stato solido, ed è poggiato su una superficie liscia. La CO2 lentamente si trasforma in vapore creando un sottile strato che separa il disco dalla base; in questo modo, il disco è soggetto solamente alla sua forza-peso e alla spinta del vapore, che si annullano

Il disco può continuare all’infinito a muoversi a velocità costante sulla superficie piana; infatti, su di esso non agiscono forze esterne.