Quali sono i tre principi della dinamica? Spiegazione semplice

O perché è più facile spingere una bicicletta vuota rispetto a una carica di borse della spesa? O ancora, come fa un razzo a muoversi nello spazio dove non c'è aria da spingere? Tutte queste domande, apparentemente diverse tra loro, hanno una risposta comune che ci porta dritta dritta al cuore di quello che studieremo oggi: i tre principi della dinamica di Isaac Newton. Questi principi sono come tre chiavi magiche che ci permettono di aprire la porta della comprensione del movimento di tutto ciò che ci circonda, dalle palline da ping-pong ai pianeti che orbitano attorno al Sole.

Ma facciamo un passo indietro. Immaginiamo di essere investigatori scientifici e di trovarci di fronte a un mistero: perché le cose si muovono? Questa domanda ha tormentato l'umanità per secoli. Gli antichi greci pensavano che ogni oggetto avesse una sua "natura" che lo portava a muoversi in un certo modo.

Ma noi sappiamo che la realtà è molto più elegante e semplice di così. Il nostro protagonista, Isaac Newton, nel 1687 pubblicò un libro che cambiò per sempre la nostra comprensione del mondo: i "Principia Mathematica". In questo libro, Newton formulò tre leggi che descrivono perfettamente il movimento di qualsiasi oggetto, dal più piccolo al più grande. E la cosa straordinaria è che queste leggi sono sempre valide, sempre, in ogni situazione della nostra vita quotidiana.

Iniziamo il nostro viaggio investigativo dal primo principio, quello che spesso viene chiamato principio di inerzia. Vi siete mai chiesti cosa succede a un oggetto quando nessuna forza agisce su di esso? La nostra intuizione spesso ci inganna. Se spingiamo una palla sul pavimento, questa prima o poi si ferma.

Potremmo pensare che è "naturale" per le cose fermarsi. Ma Newton capì che questo ragionamento era sbagliato. Il primo principio ci dice che un corpo in quiete rimane in quiete, e un corpo in movimento rettilineo uniforme continua a muoversi di moto rettilineo uniforme, finché non interviene una forza esterna a modificare questo stato. Sembra complicato detto così, ma in realtà è semplicissimo.

Pensate a quando siete su un treno che viaggia a velocità costante: voi non sentite il movimento, vero? Potete camminare normalmente, bere un bicchiere d'acqua senza problemi. È come se foste fermi. Questo accade proprio perché il treno si muove di moto rettilineo uniforme, e secondo Newton, dal vostro punto di vista è come se foste effettivamente fermi.

Ma allora perché la palla che spingiamo sul pavimento si ferma? Semplice: c'è una forza che agisce su di essa, l'attrito con il pavimento. Se potessimo eliminare completamente l'attrito, quella palla continuerebbe a rotolare per sempre alla stessa velocità. Incredibile, no?

Nello spazio, dove l'attrito è praticamente assente, le sonde spaziali che lanciamo continuano a viaggiare per decenni senza bisogno di motori accesi. L'inerzia è ovunque nella nostra vita quotidiana. Quando l'autobus parte improvvisamente, noi tendiamo a rimanere fermi e quindi ci sembra di essere spinti all'indietro. Quando l'autobus frena, noi tendiamo a continuare il movimento e quindi andiamo in avanti.

Non è che ci sia una forza misteriosa che ci spinge: è semplicemente la nostra inerzia che resiste ai cambiamenti di movimento. Ora che abbiamo capito cosa succede quando non ci sono forze, indaghiamo su cosa accade quando invece le forze entrano in gioco. Ed ecco che arriviamo al secondo principio di Newton, probabilmente il più famoso e utilizzato di tutti. Vi siete mai chiesti perché è più facile accelerare una bicicletta rispetto a un'automobile?

O perché un calciatore professionista riesce a dare una velocità impressionante al pallone? La risposta sta nel secondo principio della dinamica, che stabilisce una relazione matematica precisa tra forza, massa e accelerazione. Il secondo principio ci dice che la forza applicata a un corpo è uguale alla sua massa moltiplicata per l'accelerazione che quella forza produce. In altre parole, se vogliamo far accelerare un oggetto, dobbiamo applicargli una forza, e l'accelerazione che otterremo dipenderà sia dall'intensità della forza sia dalla massa dell'oggetto.

Facciamo un esperimento mentale insieme. Immaginate di avere due carrelli della spesa: uno vuoto e uno pieno di bottiglie d'acqua. Se spingete entrambi con la stessa forza, quale dei due accelererà di più? Ovviamente quello vuoto, perché ha una massa minore.

Questo è esattamente quello che ci dice il secondo principio: a parità di forza applicata, un oggetto con massa minore avrà un'accelerazione maggiore. Ma c'è un altro aspetto interessante. Se vogliamo dare la stessa accelerazione a entrambi i carrelli, quello pieno richiederà una forza maggiore. È per questo che fare le scale di corsa con uno zaino pesante sulle spalle è più faticoso: i nostri muscoli devono applicare una forza maggiore per dare al nostro corpo la stessa accelerazione.

Questo principio spiega anche perché le automobili sportive sono spesso leggere: a parità di potenza del motore, cioè di forza disponibile, una macchina più leggera accelererà di più. È il segreto delle auto da Formula 1, che devono essere potenti ma soprattutto leggerissime. Il secondo principio è fondamentale anche per capire la caduta degli oggetti. Quando lasciamo cadere una pietra, la forza di gravità la attira verso il basso.

La Terra esercita su ogni oggetto una forza proporzionale alla sua massa, ma secondo il secondo principio, l'accelerazione dipende dal rapporto tra forza e massa. Siccome sia la forza sia la massa sono proporzionali alla quantità di materia dell'oggetto, il rapporto rimane costante. Ecco perché, in assenza di attrito dell'aria, una piuma e un martello cadono con la stessa accelerazione, come dimostrò brillantemente l'astronauta David Scott sulla Luna durante la missione Apollo 15. Ma ora arriviamo al pezzo forte della nostra indagine scientifica: il terzo principio di Newton, quello che spesso viene chiamato principio di azione e reazione.

Vi siete mai chiesti come fate a camminare? Sembra una domanda banale, ma la risposta è tutt'altro che ovvia. Il terzo principio ci svela un segreto incredibile dell'universo: le forze non esistono mai da sole, ma sempre a coppie. Ogni volta che un oggetto esercita una forza su un secondo oggetto, questo secondo oggetto esercita sul primo una forza uguale e contraria.

Newton lo disse in modo molto elegante: "Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria". Quando camminate, i vostri piedi spingono il suolo all'indietro, e il suolo spinge i vostri piedi in avanti con una forza uguale e contraria. È questa forza di reazione del suolo che vi fa avanzare. Ecco perché è difficile camminare sul ghiaccio liscio: il ghiaccio non riesce a fornire una reazione sufficiente alla vostra azione.

Pensate a quando nuotate: spingete l'acqua all'indietro con le braccia e le gambe, e l'acqua vi spinge in avanti. Oppure pensate a un elicottero: le pale spingono l'aria verso il basso, e l'aria spinge l'elicottero verso l'alto. È lo stesso principio che permette agli uccelli di volare e ai pesci di nuotare. Ma l'esempio più spettacolare del terzo principio è il funzionamento dei razzi.

Come fa un razzo a muoversi nello spazio dove non c'è nulla da spingere? La risposta è nel terzo principio: il razzo espelle gas ad altissima velocità verso il basso, e i gas spingono il razzo verso l'alto con una forza uguale e contraria. Non ha bisogno di "appoggiarsi" su nulla: crea da solo la coppia azione-reazione espellendo materia. È importante capire che queste forze di azione e reazione agiscono sempre su oggetti diversi.

Quando voi spingete un muro, voi esercitate una forza sul muro e il muro esercita una forza su di voi. Le due forze sono uguali in intensità ma opposte in direzione, e soprattutto agiscono su corpi diversi: una su di voi, l'altra sul muro. Vi faccio notare una cosa incredibile: questi tre principi sono universali. Funzionano per tutto, dalle particelle subatomiche alle galassie.

Un elettrone che orbita attorno al nucleo di un atomo segue le stesse leggi della Terra che orbita attorno al Sole. Le molecole d'aria che si muovono nella vostra stanza seguono gli stessi principi delle stelle che si muovono nello spazio. Ma non pensiate che questi principi siano solo teoria astratta. Noi li usiamo continuamente, anche senza rendercene conto.

Quando guidate una bicicletta, state inconsciamente applicando tutti e tre i principi: usate l'inerzia per mantenere l'equilibrio, applicate il secondo principio quando pedalate per accelerare, e sfruttate il terzo principio quando frenate o quando le ruote fanno presa sull'asfalto. Gli ingegneri usano questi principi per progettare ponti, automobile, aerei e grattacieli. I medici li considerano quando studiano il movimento del sangue nel nostro corpo o la meccanica delle nostre articolazioni. Gli atleti, anche senza saperlo, ottimizzano le loro prestazioni applicando intuitivamente questi principi: un lanciatore del peso sfrutta il secondo principio per imprimere la massima accelerazione al peso, un nuotatore usa il terzo principio per ogni bracciata.

È straordinario pensare che tre semplici principi, formulati più di tre secoli fa da un uomo con una parrucca incipriata, descrivano ancora oggi con precisione assoluta il movimento di qualsiasi oggetto nel nostro universo. Newton non aveva computer, non aveva laboratori super tecnologici, eppure riuscì a decifrare alcuni dei segreti più profondi della natura usando solo la sua mente e qualche semplice esperimento. Questi principi ci insegnano anche qualcosa di profondo sulla natura della realtà: l'universo non è caotico, ma segue regole precise e matematiche. Ogni movimento, per quanto complesso possa sembrare, può essere compreso e previsto se conosciamo le forze in gioco e le condizioni iniziali.

È questo il potere della scienza: trasformare il mistero in conoscenza, l'incomprensibile in comprensibile. Ricapitolando la nostra indagine scientifica di oggi: abbiamo scoperto che il primo principio ci parla dell'inerzia, la tendenza degli oggetti a mantenere il loro stato di moto, il secondo principio stabilisce la relazione matematica tra forza, massa e accelerazione, e il terzo principio ci rivela che le forze esistono sempre in coppia, con azione e reazione uguali e contrarie. Questi tre principi sono come un kit di attrezzi universale per comprendere il movimento. Con essi possiamo spiegare perché le stelle brillano, come volano gli aerei, perché la Luna non cade sulla Terra, e perché quando saltate ricadete sempre a terra invece di fluttuare via nello spazio.

Nella prossima lezione, useremo questi principi come base per esplorare un mondo ancora più affascinante: quello del lavoro e dell'energia, dove scopriremo come le forze possono trasferire e trasformare l'energia, e come questo concetto rivoluzionario ci aiuti a comprendere fenomeni che vanno dalle montagne russe al funzionamento delle centrali elettriche. Ci vediamo alla prossima lezione, e ricordatevi: la fisica è ovunque intorno a noi, basta saperla vedere!