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Nel 1687, un uomo di nome Isaac Newton pubblicò un libro che cambiò tutto.
Si chiamava Principia Mathematica e in esso enunciò tre semplici leggi che spiegano come gli oggetti si muovono: da una palla che rotola a un razzo che lascia la Terra.
Newton non ha scoperto la gravità colpendo la testa con una mela. Questo è un mito. Ciò che ha effettivamente fatto è stato molto più impressionante: ha visto ciò che tutti gli altri vedevano: le cose che cadono, e ha chiesto perché.
Alla fine di questa lezione, capirai le tre leggi che governano ogni spinta, trazione, urto e orbita nell'universo.
Riscaldamento
Prima di Iniziare
Cominciamo con qualcosa che hai vissuto ogni giorno della tua vita.
Gli Oggetti Resistono il Cambiamento
Le Leggi di Newton
Un oggetto fermo resta fermo, e un oggetto in movimento continua a muoversi alla stessa velocità e nella stessa direzione: a meno che non sia influenzato da una forza non bilanciata.
Questo proprietà si chiama inerzia. Tutto nell'universo resiste al cambiamento della sua velocità.
Un libro che si trova su una tavolo resterà lì per sempre a meno che qualcosa non lo spinga. Un disco di hockey che scivola su un ghiaccio senza attrito si muoverebbe per sempre in linea retta a meno che qualcosa non lo fermi.
Questo è rivoluzionario. Prima di Newton, si presumeva che gli oggetti si rallentassero naturalmente. Newton si rese conto che rallentare non è naturale: accade solo a causa di forze come attrito e resistenza dell'aria.
Inerzia nella vita di tutti i giorni
L'inerzia che vivi ogni giorno
Cinture di sicurezza esistono a causa dell'inerzia. Quando un'auto si ferma bruscamente, non si ferma con l'auto: il tuo corpo continua a muoversi in avanti alla velocità originale dell'auto. La cintura è la forza scompensata che ti ferma.
Il trucco del tovagliolo funziona a causa dell'inerzia. I piatti sono ferme e resistono al movimento. Se tiri il tovagliolo abbastanza velocemente, la frizione non ha il tempo di accelerare i piatti e loro restano al loro posto.
Una palla da calcio sul terreno resta perfettamente ferma fino a quando qualcuno non la calcia. Non ha desiderio di muoversi, nessuna tendenza a muoversi. È completamente indifferente.
Forza uguale massa volte accelerazione
Legge di Newton Seconda
Forza uguale massa volte accelerazione: F = ma
Questa è l'equazione più utile in tutta la fisica. Ti dice tre cose tutte insieme:
1. Più forza applichi a un oggetto, più accelera (si sposta più velocemente, si ferma più lentamente o cambia direzione).
2. Più massa ha un oggetto, meno accelera per la stessa forza.
3. Se sai due dei tre valori: forza, massa o accelerazione: puoi calcolare il terzo.
Massa è quanto materia contiene un oggetto. Viene misurata in chilogrammi.
Accelerazione è quanto velocità cambia. Viene misurata in metri al secondo quadrato (m/s²).
Forza viene misurata in Newton (N): sì, il nome del unità è dedicato a lui.
Applicare F = ma
Spingere i Carrelli
Pensa a questo scenario: sei in un supermercato. Spingi un carrello degli alimentari vuoto e scorre facilmente. Poi riempi il carrello di cibi pesanti e spingi con la stessa forza.
Ogni Azione ha un Reazione Uguale e Contraria
La Terza Legge di Newton
Per ogni azione, c'è una reazione uguale e contraria.
Questo significa che le forze sempre vengono in coppie. Non puoi spingere senza essere spinti indietro.
Quando cammini, il tuo piede spinge il suolo verso il basso e il suolo spinge avanti su di te. Quella spinta in avanti è ciò che ti fa muovere.
Quando un razzo decolla, non spinge contro il suolo o l'aria. Lancia gas caldi verso il basso a grande velocità e i gas spingono indietro sulla navicella spaziale con la stessa forza: verso l'alto.
Quando nuoti, le tue mani spingono l'acqua verso il basso e l'acqua spinge te in avanti.
Le forze sono sempre uguali in dimensione e opposte nella direzione. Sempre.
Saltare sulla Terra
Una Domanda Mente-Bending
Quando salti, le tue gambe spingono verso il basso sulla Terra. Secondo la Terza Legge di Newton, la Terra spinge verso l'alto su di te con una forza uguale: quella che ti lancia nell'aria.
Ma ecco la parte strana: se spingi verso il basso sulla Terra e la Terra spinge verso l'alto su di te, allora le forze sono uguali. Voli in alto. Quindi la Terra dovrebbe muoversi verso il basso.
Gravitazione Universale
La Legge Universale della Gravitazione di Newton
Newton si rese conto che la stessa forza che fa cadere una mela dall'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 di più.
2. Distanza: gli oggetti più lontani si attraggono meno. La forza diminuisce con il quadrato della distanza: due volte più lontani significa un quarto della tirata.
Peso vs. Massa
Massa è la quantità di materia che hai. Non cambia indipendentemente da dove sei.
Peso è la forza della gravità che ti tira. Cambia in base a dove ti trovi.
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 sta anche muovendosi di lato così velocemente che quando cade un po', la superficie della Terra si è incurvata sotto di essa. Continua a cadere e continua a mancare. Questo è cosa un'orbita: cadere e mancare al suolo per sempre.
Senza peso ma non senza gravità
L'enigma della stazione spaziale
Gli astronauti sulla Stazione Spaziale Internazionale fluttuano come se fossero privi di peso. Probabilmente hai visto i video: si rotolano, l'acqua assume forme galleggianti e nulla cade.
Ecco il fatto sorprendente: l'ISS orbita circa 400 km sopra la Terra. A quell'altezza, la gravità è ancora circa il 90% della sua forza sulla superficie.
Le leggi di Newton nel mondo reale
Forze nell'ingegneria e nello sport
Ogni struttura, veicolo e sport sulla Terra obbedisce alle leggi di Newton.
Ponti devono bilanciare tutte le forze per rimanere fermi (Primo Principio). Gli ingegneri calcolano il peso del traffico (Secondo Principio) e assicurano che ogni supporto spinga indietro con una forza uguale (Terzo Principio).
Razzi funzionano esclusivamente per il Terzo Principio: gettando la massa in una direzione per accelerare in quella opposta. Non c'è aria su cui spingere nello spazio. L'esauriente va giù; il razzo va su.
Sport sono fisica applicata. Una mazza da baseball trasferisce forza a una palla (Secondo Principio). Un corridore di velocità spinge indietro sui blocchi di partenza e i blocchi spingono a loro volta il corridore in avanti (Terzo Principio). Una palla di hockey scivola sulla superficie del ghiaccio con una minima resistenza, dimostrando il Primo Principio.
Ogni volta che un ingegnere progetta un'auto, un ponte o uno spazioporto, risolvono le equazioni di Newton.
Fisica nel tuo Sport Preferito
Il tuo turno
Ora applica ciò che hai imparato.