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Nel 1687, un uomo chiamato Isaac Newton pubblicò un libro che cambiò tutto.
Si chiamava Principia Mathematica, e in esso espone tre leggi semplici che spiegano come si muovono gli oggetti — da una palla che rotola a un razzo che lascia la Terra.
Newton non scoprì la gravità perché colpito in testa da una mela. È un mito. Quello che ha davvero fatto era molto più impressionante: vide quello che tutti vedevano — le cose cadere — e si chiese perché.
Alla fine di questa lezione, comprenderai le tre leggi che governano ogni spinta, trazione, scontro e orbita nell'universo.
Riscaldamento
Prima di iniziare
Iniziamo con qualcosa che hai sperimentato ogni giorno della tua vita.
Gli oggetti resistono al cambiamento
Prima Legge di Newton
Un oggetto a riposo rimane a riposo, e un oggetto in movimento rimane in movimento alla stessa velocità e nella stessa direzione — a meno che non sia agito da una forza squilibrata.
Questa proprietà si chiama inerzia. Tutto nell'universo resiste al cambio del suo movimento.
Un libro seduto su un tavolo rimarrà lì per sempre a meno che qualcosa non lo spinga. Un disco da hockey che scivola su ghiaccio senza attrito scivolerebbe per sempre in linea retta a meno che qualcosa non lo fermi.
Questo era rivoluzionario. Prima di Newton, le persone credevano che gli oggetti naturalmente rallentassero. Newton ha capito che il rallentamento non è naturale — accade solo a causa di forze come l'attrito e la resistenza dell'aria.
L'inerzia nella vita quotidiana
Sperimenti l'inerzia ogni giorno
Le cinture di sicurezza esistono a causa dell'inerzia. Quando un'auto si ferma improvvisamente, tu non ti fermi con l'auto — il tuo corpo continua a muoversi in avanti alla velocità originale dell'auto. La cintura di sicurezza è la forza squilibrata che ti ferma.
Il trucco della tovaglia funziona a causa dell'inerzia. I piatti sono a riposo e resistono al movimento. Se tiri la tovaglia abbastanza velocemente, l'attrito non ha tempo di accelerare i piatti, e rimangono al loro posto.
Un pallone da calcio sul terreno rimane perfettamente fermo fino a quando qualcuno non lo calcia. Non ha il desiderio di muoversi, nessuna tendenza a muoversi. È completamente indifferente.
La forza è uguale alla massa per l'accelerazione
Seconda Legge di Newton
La forza è uguale alla massa per l'accelerazione: F = ma
Questa è l'equazione più utile in tutta la fisica. Ti dice tre cose contemporaneamente:
1. Quanto più forza applichi a un oggetto, tanto più esso accelera (accelera, rallenta o cambia direzione).
2. Quanto più massa ha un oggetto, tanto meno accelera con la stessa forza.
3. Se conosci due dei tre valori — forza, massa o accelerazione — puoi calcolare il terzo.
La massa è la quantità di materia che contiene un oggetto. Si misura in chilogrammi.
L'accelerazione è la rapidità con cui cambia la velocità. Si misura in metri al secondo quadrato (m/s²).
La forza si misura in Newton (N) — sì, l'unità è chiamata così da lui.
Applicare F = ma
Spingere i carrelli
Pensa a questo scenario: sei in un negozio di alimentari. Spingi un carrello vuoto della spesa, e rotola facilmente. Poi riempi il carrello con generi alimentari pesanti e spingi con la stessa forza.
Ogni azione ha una reazione opposta uguale
Terza Legge di Newton
Per ogni azione, esiste una reazione uguale e opposta.
Questo significa che le forze arrivano sempre in coppie. Non puoi spingere senza essere spinto indietro.
Quando cammini, il tuo piede spinge all'indietro sul terreno, e il terreno ti spinge in avanti. Questa spinta in avanti è quella che ti muove.
Quando un razzo si lancia, non spinge contro il terreno o l'aria. Lancia gas caldo verso il basso ad una velocità tremenda, e il gas spinge indietro il razzo con forza uguale — verso l'alto.
Quando nuoti, le tue mani spingono l'acqua all'indietro, e l'acqua ti spinge in avanti.
Le forze sono sempre uguali in grandezza e opposte in direzione. Sempre.
Saltare sulla Terra
Una domanda che fa riflettere
Quando salti, le tue gambe spingono giù sulla Terra. Dalla Terza Legge di Newton, la Terra ti spinge su con una forza uguale — è quello che ti lancia in aria.
Ma ecco la parte strana: se spingi giù sulla Terra, e la Terra ti spinge su, allora le forze sono uguali. Voli verso l'alto. Quindi la Terra dovrebbe muoversi verso il basso.
Gravitazione universale
La Legge della Gravitazione Universale di Newton
Newton ha capito che la stessa forza che fa cadere una mela da un albero è la stessa forza che mantiene la Luna in orbita intorno alla Terra.
Ogni oggetto con massa attrae ogni altro oggetto con massa. La forza dell'attrazione dipende da due cose:
1. Massa: gli oggetti più massicci tirano più forte.
2. Distanza: gli oggetti più lontani tirano più debolmente. La forza diminuisce con il quadrato della distanza — il doppio della distanza significa un quarto della trazione.
Peso vs. Massa
La massa è la quantità di materia in te. Non cambia non importa dove sei.
Il peso è la forza della gravità che tira sulla tua massa. Cambia a seconda di dove sei.
Sulla Luna, hai la stessa massa ma un sesto del peso, perché la gravità della Luna è più debole.
Perché la Luna non cade?
Sta cadendo — costantemente. Ma si sta anche muovendo di lato così velocemente che entro il tempo che cade un po', la superficie della Terra si è curvata via sotto di essa. Continua a cadere e continua a mancare. Questo è quello che è un'orbita: cadere e mancare il terreno per sempre.
Senza peso ma non senza gravità
Il puzzle della stazione spaziale
Gli astronauti sulla Stazione Spaziale Internazionale galleggiano come se fossero senza peso. Probabilmente hai visto i video — si capovolgono, l'acqua forma goccioline galleggianti, e nulla cade.
Ecco il fatto sorprendente: la Stazione Spaziale Internazionale orbita circa 400 km sopra la Terra. A quella altitudine, la gravità è ancora circa 90% forte come lo è sulla superficie.
Le leggi di Newton nel mondo reale
Forze nell'ingegneria e negli sport
Ogni struttura, veicolo e sport sulla Terra obbedisce alle leggi di Newton.
I ponti devono bilanciare tutte le forze per stare fermi (Prima Legge). Gli ingegneri calcolano il peso del traffico (Seconda Legge) e assicurano che ogni supporto spinga indietro con forza uguale (Terza Legge).
I razzi funzionano puramente dalla Terza Legge — lanciando massa in una direzione per accelerare nell'altra. Non c'è aria per spingere nello spazio. Lo scarico va giù; il razzo va su.
Gli sport sono fisica applicata. Una mazza da baseball trasferisce forza a una palla (Seconda Legge). Un velocista spinge all'indietro sui blocchi di partenza e i blocchi lo spingono in avanti (Terza Legge). Un disco da hockey scivola sul ghiaccio con minimo attrito, dimostrando la Prima Legge.
Ogni volta che un ingegnere progetta un'auto, un ponte o un'astronave, sta risolvendo le equazioni di Newton.
La fisica nel tuo sport preferito
Il tuo turno
Ora applica quello che hai imparato.