PRIMA LEGGE DI NEWTON: FORMULE, ESPERIMENTI ED ESERCIZI - FISICO - 2025

La prima legge di Newton , nota anche come legge di inerzia, fu proposta per la prima volta da Isaac Newton, fisico, matematico, filosofo, teologo, inventore inglese e alchimista. Questa legge afferma quanto segue: "Se un oggetto non è soggetto a nessuna forza, o se le forze che agiscono su di esso si annullano a vicenda, allora continuerà a muoversi con velocità costante in linea retta".

In questa affermazione la parola chiave è continuerà. Se le premesse della legge sono soddisfatte, l'oggetto continuerà il suo movimento come aveva fatto. A meno che non compaia una forza sbilanciata e modifichi lo stato di movimento.

Spiegazione della prima legge di Newton. Fonte: autocostruito.

Ciò significa che se l'oggetto è a riposo continuerà a riposare, a meno che una forza non lo porti fuori da quello stato. Significa anche che se un oggetto si muove con una velocità fissa in una direzione diritta, continuerà a muoversi in quel modo. Cambierà solo quando qualche agente esterno eserciterà una forza su di esso e cambierà la sua velocità.

Sfondo della legge

Isaac Newton nacque a Woolsthorpe Manor (Regno Unito) il 4 gennaio 1643 e morì a Londra nel 1727.

La data esatta in cui Sir Isaac Newton ha scoperto le sue tre leggi della dinamica, inclusa la prima legge, non è nota con certezza. Ma è noto che passò molto tempo prima della pubblicazione del famoso libro Mathematical Principles of Natural Philosophy, il 5 luglio 1687.

Il dizionario della Royal Spanish Academy definisce la parola inerzia come segue:

"Proprietà dei corpi per mantenere il loro stato di riposo o movimento se non tramite l'azione di una forza."

Questo termine è usato anche per affermare che qualsiasi situazione rimane invariata perché nessuno sforzo è stato fatto per raggiungerla, quindi a volte la parola inerzia ha una connotazione di routine o pigrizia.

La visione pre-newtoniana

Prima di Newton, le idee predominanti erano quelle del grande filosofo greco Aristotele, il quale affermava che affinché un oggetto si mantenga in movimento, una forza deve agire su di esso. Quando la forza cessa, anche il movimento cessa. Non è così, ma anche oggi molti la pensano così.

Galileo Galilei, un brillante astronomo e fisico italiano vissuto tra il 1564 e il 1642, sperimentò e analizzò il movimento dei corpi.

Una delle osservazioni di Galileo è stata che un corpo che scorre su una superficie liscia e levigata con un certo impulso iniziale, impiega più tempo a fermarsi e ha più corsa in linea retta, poiché l'attrito tra il corpo e la superficie è minore.

È evidente che Galileo gestì l'idea di inerzia, ma non arrivò a formulare un'affermazione precisa come Newton.

Di seguito proponiamo alcuni semplici esperimenti, che il lettore può effettuare e corroborare i risultati. Le osservazioni saranno anche analizzate secondo la visione aristotelica del moto e la visione newtoniana.

Esperimenti di inerzia

Esperimento 1

Una scatola viene proiettata sul pavimento e quindi la forza motrice viene sospesa. Osserviamo che la scatola percorre un breve sentiero fino a quando non si ferma.

Interpretiamo l'esperimento precedente e il suo risultato, nel quadro delle teorie prima di Newton e poi secondo la prima legge.

Nella visione aristotelica la spiegazione era molto chiara: la scatola si fermava perché la forza che la muoveva era sospesa.

Nella visione newtoniana, la scatola sul pavimento / terreno non può continuare a muoversi con la velocità che aveva al momento in cui la forza è stata sospesa, perché tra il pavimento e la scatola c'è una forza sbilanciata, che fa diminuire la velocità fino al box si ferma. È la forza di attrito.

In questo esperimento, le premesse della prima legge di Newton non sono soddisfatte, quindi la scatola si è fermata.

Esperimento 2

Anche in questo caso è la scatola al piano / terra. In questa occasione la forza sulla scatola viene mantenuta, in modo tale da compensare o bilanciare la forza di attrito. Ciò accade quando otteniamo che la scatola segua con velocità costante e in una direzione diritta.

Questo esperimento non contraddice la visione aristotelica del moto: la scatola si muove a velocità costante perché su di essa viene esercitata una forza.

Inoltre non contraddice l'approccio di Newton, perché tutte le forze che agiscono sulla scatola sono equilibrate. Vediamo:

• In direzione orizzontale, la forza esercitata sulla scatola è uguale e nella direzione opposta alla forza di attrito tra la scatola e il pavimento.
• Quindi la forza netta nella direzione orizzontale è zero, ecco perché la scatola mantiene la sua velocità e direzione.

Anche in direzione verticale le forze sono equilibrate, perché il peso della scatola che è una forza che punta verticalmente verso il basso è esattamente compensato dalla forza di contatto (o normale) che il terreno esercita sulla scatola verticalmente verso l'alto.

A proposito, il peso della scatola è dovuto all'attrazione gravitazionale della Terra.

Esperimento 3

Continuiamo con la scatola appoggiata sul pavimento. Nella direzione verticale le forze sono bilanciate, ovvero la forza verticale netta è zero. Sarebbe sicuramente molto sorprendente se la scatola si spostasse verso l'alto. Ma nella direzione orizzontale c'è forza di attrito.

Ora, affinché la premessa della prima legge di Newton sia soddisfatta, dobbiamo ridurre l'attrito alla sua minima espressione. Questo può essere ottenuto in modo abbastanza approssimativo se cerchiamo una superficie molto liscia su cui spruzziamo olio di silicone.

Poiché l'olio di silicone riduce l'attrito quasi a zero, quindi quando questa scatola viene lanciata orizzontalmente, manterrà la sua velocità e direzione per lungo tempo.

È lo stesso fenomeno che si verifica con un pattinatore su una pista di pattinaggio, o con il disco da hockey su ghiaccio quando vengono spinti e rilasciati da soli.

Nelle situazioni descritte, in cui l'attrito si riduce quasi a zero, la forza risultante è praticamente nulla e l'oggetto mantiene la sua velocità, secondo la prima legge di Newton.

Nella visione aristotelica questo non potrebbe accadere, perché secondo questa teoria ingenua, il movimento si verifica solo quando c'è una forza netta sull'oggetto in movimento.

La superficie ghiacciata può essere considerata a bassissimo attrito. Fonte: Pixabay.

Prima spiegazione della legge di Newton

Inerzia e massa

La massa è una quantità fisica che indica la quantità di materia contenuta in un corpo o un oggetto.

La massa quindi è una proprietà intrinseca della materia. Ma la materia è composta da atomi, che hanno massa. La massa dell'atomo è concentrata nel nucleo. Sono i protoni e i neutroni nel nucleo che praticamente definiscono la massa dell'atomo e della materia.

La massa è generalmente misurata in chilogrammi (kg), è l'unità di base del Sistema internazionale di unità (SI).

Il prototipo o riferimento di kg è un cilindro di platino e iridio che è conservato presso l'Ufficio internazionale dei pesi e delle misure di Sèvres in Francia, sebbene nel 2018 fosse collegato alla costante di Planck e la nuova definizione entrerà in vigore a partire dal 20 maggio 2019.

Ebbene, succede che inerzia e massa siano correlate. Maggiore è la massa, maggiore è l'inerzia di un oggetto. È molto più difficile o costoso in termini di energia cambiare lo stato di movimento di un oggetto più massiccio di uno meno massiccio.

Esempio

Ad esempio, è necessaria molta più forza e molto più lavoro per sollevare una scatola da una tonnellata (1000 kg) dal resto rispetto a una scatola da un chilogrammo (1 kg). Ecco perché si dice spesso che il primo ha più inerzia del secondo.

A causa della relazione tra inerzia e massa, Newton si rese conto che la velocità da sola non è rappresentativa dello stato di moto. Questo è il motivo per cui ha definito una quantità nota come quantità di moto o quantità di moto che è denotata dalla lettera p ed è il prodotto della massa m e della velocità v :

p = m v

Il grassetto in p e v indicano che sono quantità fisiche vettoriali, cioè sono quantità con grandezza, direzione e senso.

La massa m è invece una quantità scalare, alla quale viene assegnato un numero che può essere maggiore o uguale a zero, ma mai negativo. Finora nessun oggetto di massa negativa è stato trovato nell'universo conosciuto.

Newton ha portato la sua immaginazione e astrazione all'estremo, definendo la cosiddetta particella libera. Una particella è un punto materiale. Cioè, è come un punto matematico ma con massa:

Una particella libera è quella particella che è così isolata, così lontana da un altro oggetto nell'universo che nulla può esercitare alcuna interazione o forza su di essa.

Successivamente Newton definì i sistemi di riferimento inerziali, che saranno quelli in cui si applicano le sue tre leggi del moto. Ecco le definizioni secondo questi concetti:

Sistema di riferimento inerziale

Qualsiasi sistema di coordinate attaccato a una particella libera, o che si muove a velocità costante rispetto alla particella libera, sarà un sistema di riferimento inerziale.

Prima legge di Newton (legge di inerzia)

Se una particella è libera, allora ha una quantità di moto costante rispetto a un sistema di riferimento inerziale.

Prima legge e momento di Newton. Fonte: autocostruito.

Esercizi risolti

Esercizio 1

Un disco da hockey da 160 grammi va sulla pista di pattinaggio a 3 km / h. Trova il suo slancio.

Soluzione

La massa del disco in chilogrammi è: m = 0,160 kg.

Velocità in metri su secondo: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

La quantità di movimento o quantità di moto p è calcolata come segue: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

Esercizio 2

L'attrito nel disco anteriore è considerato zero, quindi lo slancio viene preservato finché nulla altera il percorso rettilineo del disco. Tuttavia, è noto che due forze agiscono sul disco: il peso del disco e la forza di contatto o normale che il pavimento esercita su di esso.

Calcola il valore della forza normale in newton e la sua direzione.

Soluzione

Poiché lo slancio è conservato, la forza risultante sul disco da hockey deve essere zero. Il peso è rivolto verticalmente verso il basso ed è valido: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

La forza normale deve necessariamente contrastare il peso, quindi deve puntare verticalmente verso l'alto e la sua grandezza sarà di 1,57 N.

Articoli di interesse

Esempi della legge di Newton nella vita reale.

Riferimenti

1. Alonso M., Finn E. Physics volume I: Mechanics. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Conceptual Physical Science. Quinta edizione. Pearson. 67-74.
3. Giovane, Hugh. Fisica universitaria con fisica moderna. 14 ° Ed. Pearson. 105-107.