I principi della dinamica (leggi di Newton)

Le leggi del moto di Newton sono alla base della meccanica classica e descrivono la relazione tra un oggetto e le forze che agiscono su di esso.

Ad esempio, quando un razzo è fermo sulla rampa di lancio prima del lancio, il razzo e il suolo esercitano forze uguali e opposte l'uno sull'altro. Per decollare, o quando il razzo è nello spazio, il gas in espansione dal carburante in fiamme spinge contro il razzo e lo spinge in avanti. Meno evidente, tuttavia, è che il razzo spinge contro il gas allo stesso tempo. Questi semplici fenomeni obbediscono alle leggi del moto di Newton, anche se le forze in gioco potrebbero non essere evidenti perché le forze non sono sempre visibili.

Questo video introdurrà le basi delle leggi del moto di Newton e poi dimostrerà il concetto attraverso una serie di esperimenti che misurano le forze tra due carrelli a ruote in varie situazioni.

Le leggi del moto di Newton sono costituite da tre leggi chiave. La prima legge è la più semplice, e afferma che un oggetto in quiete rimane in quiete, a meno che non agisca con una forza. Allo stesso modo, un oggetto in movimento rimane in movimento a meno che non agisca su una forza. In particolare, se le forze nette sull'oggetto sono zero, la velocità dell'oggetto è costante, indipendentemente dal fatto che la velocità sia zero o meno. Tuttavia, una forza applicata, come calciare la palla o colpire il muro, provoca la modifica della velocità dell'oggetto.

La seconda legge di Newton afferma che il tasso di variazione della velocità di un oggetto, chiamato accelerazione, è direttamente proporzionale alla forza applicata ad esso. Il fattore di proporzionalità è la massa dell'oggetto stesso.

In altre parole, se un oggetto sta accelerando, c'è una forza netta su di esso. Questa legge è coerente con la prima legge, dove il tasso di variazione della velocità di un oggetto - la sua accelerazione - è zero quando non c'è una forza netta applicata.

Infine, la terza legge di Newton afferma che le forze di due oggetti che agiscono l'uno sull'altro sono uguali in grandezza ma opposte in direzione

Questo comportamento è spesso difficile da capire. Ad esempio, quando due oggetti di massa diversa si scontrano, si presume spesso che l'oggetto più massiccio eserciti una forza maggiore rispetto all'oggetto meno massiccio. Tuttavia, le forze sono uguali e opposte.

La terza legge di Newton è comunemente espressa con la frase: "per ogni azione c'è una reazione uguale e contraria". Per essere precisi, le forze tra due oggetti interagenti sono chiamate "coppie azione-reazione", che sono uguali in grandezza e opposte in direzione.

Ma le risposte degli oggetti, cioè le loro accelerazioni, potrebbero non essere uguali. Questo perché l'accelerazione è inversamente proporzionale alla massa secondo la seconda legge di Newton.

Considera cosa succede quando un camion molto grande si scontra con un'auto molto piccola. Se l'azione e la reazione si riferiscono alle forze d'impatto tra di loro, allora l'azione produce effettivamente una reazione uguale e contraria. Ma a causa delle significative differenze di massa tra camion e auto, gli effetti di queste forze sono molto diversi. L'auto rimbalza in modo catastrofico mentre il camion, molto più massiccio, non cambia quasi mai rotta.

Ora che i principi delle leggi del moto di Newton sono stati presentati, diamo un'occhiata al comportamento degli oggetti in movimento e mettiamo in relazione il loro comportamento con la terza legge del moto di Newton.

Gli esperimenti successivi utilizzano carrelli a due ruote, che scorrono su un lungo binario a basso attrito.

Ogni carrello è dotato di un sensore di forza collegato a un'interfaccia informatica per la registrazione dei dati. Ogni sensore è posizionato per colpire il sensore dell'altro carrello durante una collisione, o per spingere o tirare il sensore dell'altro carrello mentre scivolano sul binario.

Prima di iniziare gli esperimenti di collisione, i sensori di forza devono essere impostati per l'impatto e configurati per il livello di forza previsto. Per prima cosa, avvitare un paraurti in gomma sullo stantuffo di ciascun sensore di forza. Individuare l'interruttore a scorrimento sulla parte superiore del sensore di forza. Impostare questo interruttore sulla posizione 50 Newton per ciascun sensore.

Il pulsante "Raccogli", che assomiglia a una freccia verde, avvia la raccolta dei dati. Prima di ogni esperimento, premere il pulsante accanto a questa freccia verde per azzerare il sensore di forza.

Azzerare entrambi i sensori di forza, quindi controllarli per assicurarsi che la direzione positiva per ciascuno di essi sia definita a destra. Spingere il sensore con lo stantuffo che punta verso destra. La lettura della forza dovrebbe essere positiva.

Spingere il sensore con lo stantuffo che punta a sinistra. La lettura della forza dovrebbe essere negativa. Se entrambe le letture della forza sono errate, invertire le posizioni dei carrelli.

Se solo una lettura è errata, vai al menu "Esperimento" e seleziona "Configura sensori". Scegli il sensore di forza appropriato e seleziona "Direzione inversa".

Dopo che i sensori di forza sono stati configurati correttamente, l'apparato è pronto per il primo esperimento, che utilizza carrelli di uguale massa. Scegli un carrello che sia fermo all'inizio del test.

Azzerare entrambi i sensori di forza, quindi premere il pulsante "Collect" per avviare la registrazione dei dati. Spingere e rilasciare l'altro carrello in modo che scivoli da solo e si scontri con il carrello fermo.

Dopo l'impatto, il computer visualizza un grafico della "forza rispetto al tempo" registrata da ciascun sensore. Le magnitudini della forza di picco dovrebbero essere comprese tra 8 e 20 Newton. Se la forza di picco è al di fuori di questo intervallo, ripeti l'esperimento e regola la forza con cui viene spinto il carrello.

Quando i carrelli con la stessa massa si scontrano, questo grafico mostra che le forze che subiscono sono uguali e opposte. Poiché l'accelerazione è uguale alla forza divisa per la massa, ogni carrello accelera con la stessa grandezza, ma in direzioni opposte.

Il secondo esperimento di collisione ripete il primo esperimento, ma con carrelli di massa disuguale. Scegli un carrello che sia fermo e caricalo con uno o più pesi in modo che abbia da 2 a 3 volte la massa del carrello in movimento.

Azzerare entrambi i sensori di forza, premere il pulsante "Collect" e ripetere l'esperimento di collisione spingendo il carrello senza pesi nel carrello appesantito

Quando il carrello mobile meno massiccio si scontra con quello più massiccio e fermo, rimbalzano con velocità molto diverse. Nonostante le apparenze, le grandezze delle forze sono in realtà uguali, come mostrano chiaramente i grafici. Questo comportamento può creare confusione, ma è perché il carrello meno massiccio subisce un'accelerazione maggiore rispetto a quello più massiccio, sempre perché l'accelerazione è uguale alla forza divisa per la massa.

Quindi, trasferisci i pesi dal carrello fisso al carrello in movimento per invertire i ruoli dei carrelli. Ripeti l'esperimento con il carrello in movimento più massiccio e il carrello fermo meno massiccio. Azzerare entrambi i sensori di forza e premere il pulsante "Collect". Ripeti l'esperimento spingendo il carrello appesantito in quello non appesantito.

Come per l'esperimento precedente, i due carrelli rimbalzano con velocità molto diverse, a causa delle loro diverse masse. Tuttavia, le forze d'impatto hanno ancora le stesse grandezze. Quindi, indipendentemente dal fatto che i carrelli abbiano masse uguali o diverse, le forze di collisione sono sempre uguali in grandezza e opposte in direzione.

La terza legge del moto di Newton si applica non solo alle collisioni, ma anche a tutte le situazioni in cui due oggetti interagiscono.

La terza legge di Newton si applica anche alle interazioni di spinta e trazione tra due oggetti. Per esaminare questo fenomeno, l'esperimento del carrello è stato modificato sostituendo i paraurti in gomma sui sensori di forza con ganci e quindi agganciando i carrelli insieme. La condizione di attivazione è stata invertita anche nel software di raccolta dati.

Quando i carri di uguale massa spingevano e tiravano l'un l'altro, le forze erano uguali e opposte, nonostante il cambiamento di direzione del movimento. Quando due carri di massa disuguale sono stati spinti e tirati, il fenomeno è ancora valido.

I fisici che cercano di capire la formazione dei pianeti spesso studiano le collisioni. In questo esempio, le particelle di polvere sono state preparate per simulare collisioni nel sistema solare primordiale. Le particelle sono state sganciate e la loro collisione è stata registrata.

Le particelle in collisione esercitavano forze l'una contro l'altra, che erano uguali in grandezza e opposte in direzione. Quando entrambi gli oggetti rimanevano intatti, le forze d'impatto li facevano rimbalzare.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alle leggi del moto di Newton. Ora dovresti capire le basi delle tre leggi, come descrivono il movimento e le forze sugli oggetti. Grazie per l'attenzione!