Dinamica Primo principio (Liceo)
Iniziamo lo studio della dinamica, in questa lezione vedremo il primo principio. La dinamica studia le cause del movimento, ossia le forze. Abbiamo già visto che sono grandezze vettoriali, ora approfondiremo la loro applicazione ai corpi.
Nell’antichità, parliamo dei tempi di Aristotele, si riteneva che una forza applicata ad un corpo provocasse una velocità. Si pensava che trascinando un oggetto con una certa forza, questo acquistasse la velocità v, aumentando la forza di trascinamento anche la velocità aumentava.
Aristotele pensava che l’effetto dell’applicazione di una forza ad un oggetto fossa una velocità. Si sbagliava.
A capire come stavano effettivamente le cose fu Galilei il quale, invece di trascinare il corpo, pensò di lanciarlo applicando una forza F solo per un breve istante e poi lasciarlo a se stesso.
L’oggetto rallenta fino a fermarsi dopo un certo tempo t.
La forza F è stata applicata, ma subito tolta ed il corpo ha continuato a muoversi per un pò. Allora non è la forza a mantenerlo in moto. Galilei andò oltre, capì che è la presenza di altre forze che fa fermare l’oggetto. Può sembrare che non ci sono altre forze agenti, invece c’è l’onnipresente attrito tra piano e corpo. E’ l’attrito che frena il corpo.
Se levighiamo la superficie e rilanciamo il corpo con la stessa forza notiamo che esso rimane in moto più a lungo. Più levighiamo e più spazio percorre.
E se togliessimo tutti gli attriti ? Cosa succederebbe ? Possiamo solo estrapolare, l’assenza assoluta di attrito non possiamo ottenerla. Pensiamo però ad un oggetto lanciato su un piano di ghiaccio, esso andrà avanti un bel pò prima di fermarsi. Allora, in assenza di attriti, il corpo continuerà a muoversi sempre, a velocità costante che è quella con la quale è stato lanciato.
Ne deduciamo che in assenza di forze, (quella applicata da noi F la togliamo subito, gli attriti non ci sono) il corpo continua a muoversi con velocità costante. Se ci fate caso, il nostro corpo si sta muovendo di moto rettilineo uniforme.
Moto uniforme vuol dire velocità costante, velocità costante vuol dire accelerazione nulla (a=Δv/Δt).
In assenza di forze l’accelerazione è nulla, quindi la forza produce un’accelerazione o una decelerazione ( se è in verso opposto al moto).
Per assenza di forze si intende che o la forza non c’è oppure è nulla la risultante di tutte quelle applicate.
Enunciato del primo principio della dinamica (principio d’inerzia)
Ogni corpo non soggetto a forze persevera nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, rispetto al sistema di riferimento (tra poco approfondiamo cosa intendiamo per sistema di riferimento).
In parole povere il primo principio della dinamica ci dice che se un corpo è fermo tale rimane, se si stà muovendo di moto rettilineo uniforme continua con la sua velocità costante. Questo se su di esso non agiscono forze o agiscono forze la cui risultante è nulla.
Sappiamo che quando studiamo il moto o la quiete di un corpo è importante definire il sistema di riferimento scelto. Ci domandiamo se il primo principio vale in un qualunque sistema di riferimento. Diciamo subito di no.
Supponiamo di essere in macchina e di viaggiare a velocità costante. Su un sedile è poggiato il nostro libro di fisica, su di esso agisce la forza peso verso il basso e la reazione del sedile verso l’alto. Sono due forze uguali ed opposte e si fanno equilibrio, la loro risultante è nulla. Se prendo il sistema di riferimento nell’auto, il libro è fermo e non soggetto a forze, siamo nel campo di validità del primo principio. Se il riferimento lo prendo a terra, il libro si stà muovendo a velocità costante, quella dell’auto, ed il primo principio è sempre valido.
Ora freniamo bruscamente. Il libro vola in avanti e cade dal sedile cercando di mantenere la velocità che aveva prima della frenata (quella costante dell’auto). Nel sistema di riferimento a terra il libro continua, allora, a muoversi a velocità costante (il libro non l’auto), è ancora valido il primo principio. Per il riferimento dentro l’automobile esso ha subito un’accelerazione in avanti, è come se su di lui avesse agito una forza, e il primo principio non è più valido.
Indicando con o,x,y il sistema legato a terra (sulla strada) e con o’,x’,y’ quello nell’auto, fino a che 0′,x’,y’ si muove di moto rettilineo uniforme rispetto a 0,x,y in esso resta valido il primo principio. Quando freniamo esso non si muove più di moto rettilineo uniforme rispetto a 0,x,y, ma di moto accelerato e il primo principio della dinamica non vale più in esso.
Se il primo principio è valido in un sistema di riferimento, esso resta valido per tutti i sistemi che si muovono di moto rettilineo uniforme rispetto ad esso.
Tutti i sistemi nei quali è valido il primo principio vengono detti sistemi inerziali.
Una volta fissato un sistema fisso (ad esempio legato alle stelle che possiamo ritenere ferme), tutti i sistemi in moto rettilineo uniforme rispetto a questo sono inerziali.
Nei nostri esperimenti o esercizi come riferimento prendiamo sempre la Terra, ma essa costituisce realmente un sistema inerziale ?
La terra ruota su se stessa e ruota attorno al sole. Sappiamo che quando un moto è circolare (più o meno), anche se uniforme, si presenta un’accelerazione centripeta dovuta alla variazione in direzione della velocità, quindi una forza centripeta. Ne deduciamo che la terra non è un sistema inerziale, essa si muove con moto accelerato. Continuiamo però a considearla come un sistema inerziale perchè gli effetti di questa accelerazione, per i nostri studi, non sono determinanti.
Possiamo a questo punto dare l’enunciato competo del primo principio
In un sistema di riferimento inerziale, ogni corpo, in assenza di forze esterne, prosegue nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme.
In pratica abbiamo stabilito che :
Per accelerare o decelerare un corpo debbo applicare una forza.
Se studio un moto in un sistema non inerziale debbo tenere conto delle forze che si presentano a causa dell’accelerazione del sistema rispetto ad un sistema fisso (inerziale). Questo verrà approfondito nello studio dei moti relativi.
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