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Principi della dinamica: ecco quali sono

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I principi della dinamica sono la materia di studio della meccanica classica. Questa disciplina ha approfondito e descritto le relazioni tra il movimento di un corpo e gli enti che modificano tale movimento. Sono conosciuti anche sotto un altro nome: principi di Newton. Scopriamo perché fu il famoso studioso a battezzarli e come descrivono la fisica dei corpi.

I principi della dinamica: le origini

isaac newtonNon si può parlare di questi principi senza tornare indietro nel tempo e citare uno dei più grandi studiosi della storia dell’umanità: Aristotele. Fu lui nel suo trattato “Fisica” a sostenere che i corpi avessero come stato naturale la quiete, di conseguenza la stasi, ossia la mancanza totale di movimento.

Sottolineò nelle sue pagine anche la tendenza a rallentare di un corpo in movimento, fino a raggiungere il punto di fermata. Allora la meccanica era una sintesi tra la filosofia e la fisica, non era uno studio meramente scientifico ma un’indagine più profonda sulle manifestazioni del reale.

Dopo Aristotele ci furono altri quattro grandi studiosi, che dal Medioevo in poi si occuparono di portare avanti gli studi in questo settore:

  • Guglielmo di Ockham
  • Nicola Cusano
  • Leonardo da Vinci
  • Isaac Newton

In particolar modo vogliamo citare Nicola Cusano, che insieme a Da Vinci rivoluzionò la dinamica aristotelica ampliandola di nuovi concetti e addirittura contribuendo a donare un punto di vista nuovo sulla meccanica.

Ma ad un altro grande autore dobbiamo dare il merito della chiara spiegazione di due concetti nuovi:

  • Principio di inerzia
  • Attriti

I due sono legati perché il primo descrive la capacità di un corpo di non rallentare e di non fermarsi mai, persistendo nel suo moto rettilineo uniforme. Questo assunto sembra entrare in contraddizione con quanto detto prima e quanto sostenuto da Aristotele, ma in realtà non è così. Il corpo potrebbe tendere ad un perenne stato di moto se non incontrasse attriti, come aria o punti disuniformi del piano. Anche la tendenza alla quiete di un corpo è chiamata inerzia.

Galileo scrisse nel dettaglio quanto detto fino ad ora in alcune importanti opere:

  • Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo (1632)
  • Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze attenenti alla meccanica e ai movimenti locali (1683)

Ma la vera e propria formalizzazione degli assiomi è merito di Newton, che nel suono , Philosophiae Naturalis Principia Mathematica non nega l’importanza degli studi galileiani, ma piuttosto li ordina e li esalta.

La meccanica classica: i tre principi di Newton

In questo paragrafo ci soffermeremo molto su Newton, in quanto lui più di tutti fu capace di presentare in modo esauriente i principi, chiamandoli “assiomi o leggi del moto” le vere e proprie fondamenta della meccanica. I principi sono tre:

  • Principio di inerzia
  • Principio di forza
  • Principio della conservazione della quantità di moto

principio di proporzionalità

Solo gli ultimi due principi non sono nati esclusivamente dalle osservazioni di Newton, il primo ha radici più antiche e tradizionali. Fu parte integrante degli studi sulle orbite celesti e sul moto dei corpi in caduta libera da parte di Galileo. Prima ancora Aristotele si interessò della questione, come abbiamo già raccontato.

Ma vediamo nel dettaglio gli assiomi di Newton e capiamo cosa descrivono.

Il primo principio: principio d’inerzia

Citando Newton stesso, il primo principio afferma che:

“Un corpo mantiene il proprio stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, finché una forza non agisce su di esso”.

Se sul corpo non si dispiegano forze agenti esso mantiene il suo stato, sia di moto che di quiete. Ad esempio se esegue un moto rettilineo uniforme e nulla interviene a fermarlo proseguire. Perché allora vediamo rallentare piano piano un corpo che si muove? Perché non possiamo osservare un fenomeno di moto rettilineo uniforme all’interno di uno spazio vuoto in cui non vi sia forza d’attrito. In tal caso potremo assistere ad un movimento costante e stabile lungo una linea retta.

Questo principio è interessante non solo dal punto di vista scientifico ma anche dal punto di vista della storia della disciplina. L’assioma sancisce la rottura con la fisica aristotelica, in seguito all’introduzione del concetto di assenza delle forze anche per il moto rettilineo uniforme. Quest’ultimo ha un’altra peculiarità: la velocità vettorialmente costante. Cosa significa? Che la variazione di direzione, verso e velocità del movimento dipende dalla presenza di determinate forze.

Principio di conservazione di Newton

Prende anche il nome di principio di proporzionalità. Le parole chiave di questo assioma sono:

  • Accelerazione
  • Forza
  • Proporzionale
  • Massa

La citazione ufficiale, tratta direttamente dai documenti dello studioso, enuncia la seguente legge della dinamica:

“L’accelerazione di un corpo è direttamente proporzionale e ha la stessa direzione della forza netta agente su di esso, mentre è inversamente proporzionale alla sua massa”.

In questo caso dobbiamo approfondire tre concetti cardine, quello di forza, accelerazione, massa.

La forza netta è la somma di tutte le forze che agiscono su un corpo.

L’accelerazione è causa di queste forze e ha come conseguenza la modifica della direzione della velocità o dell’aumento o diminuzione del modulo.

La massa, che viene specificatamente chiamata inerziale, è la misura della resistenza alle accelerazioni che un corpo possiede naturalmente. Basti pensare alla differenza di movimento tra due corpi, uno grande e uno piccolo, mossi dalla stessa spinta.

Per completare l’analisi dei principi della dinamica e in particolare di questo secondo dobbiamo introdurre il concetto di quantità di moto. Se la massa inerziale di un corpo non presenta elementi di costanza allora un corpo dotato di massa sul quale si dispiega una forza cambia la quantità del moto in base alla forza e muovendosi lungo la stessa direzione.

In altre parole: il tasso di aumento della quantità di moto è uguale a parallelo alla forza impressa.

Principio di azione e reazione

«ad ogni azione corrisponde sempre una uguale ed opposta reazione»

La forza ha origine nell’interazione tra i corpi. Un singolo corpo all’interno di uno spazio infinito, come può essere l’universo, non incontrerebbe nessun altro corpo e dunque non subirebbe le conseguenze di una forza esterna.

Questo principio di Newton trova molti esempi chiari ed esplicativi e nei più disparati ambiti. Pensa alla legge gravitazionale universale, per cui la forza esercitata dalla Terra sulla Luna deve essere identica ma opposta alla forza totale della Luna sulla Terra.

Anche il semplice gesto del camminare è un esempio lampante di tale assioma. Noi esercitiamo una forza all’indietro sul terreno, tramite il piede. Il terreno reagisce con una forza uguale e contraria. A noi non sembra che il terreno subisca l’azione di una forza perché non lo vediamo muoversi e accelerare. Ma in realtà una lieve accelerazione c’è, però la massa inerziale della terra è così grande che la rende impercettibile e inosservabile.

La fisica affascina e continua ad avere grandi sbocchi e finestre aperte su leggi e principi. La meccanica classica con i principi della dinamica ha posto le basi per studi in cui si ragiona su sistemi molto più complessi rispetto a quelli con cui si interfacciavano gli studiosi che abbiamo approfondito, come Newton. Studiare queste leggi e la sua applicazione consente di muoversi in un territorio di sicuro interesse per coloro che sognano di diventare ingegneri o di specializzarsi nella ricerca di nuove strade per la tecnologia e la meccanica.

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