I principi della dinamica (leggi di Newton)

Le leggi del moto di Newton sono la 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 a riposo sulla rampa di lancio prima del lancio, il razzo e il terreno 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 all'opera potrebbero non essere ovvie 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 consistono in tre leggi chiave. La prima legge è la più semplice e afferma che un oggetto a riposo rimane a riposo, 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, fa cambiare la 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 ad esso applicata. 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 viene applicata alcuna forza netta.

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 opposta". 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 di impatto tra di loro, allora in effetti l'azione produce una reazione uguale e opposta. 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 difficilmente cambia 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.

I seguenti esperimenti utilizzano carrelli a due ruote, che scorrono su una pista lunga e a basso attrito.

Ogni carrello è dotato di un sensore di forza collegato a un'interfaccia computer 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 sulla pista.

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. Innanzitutto, 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 di 50 Newton per ciascun sensore.

Il pulsante "Raccogli", che sembra 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.

Zero entrambi i sensori di forza, quindi controllarli per assicurarsi che la direzione positiva per ciascuno sia definita a destra. Spingere il sensore con lo stantuffo che punta a 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 delle forze sono sbagliate, invertire le posizioni dei carrelli.

Se solo una lettura è errata, vai al menu "Esperimento" e seleziona "Imposta 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 da fermo all'inizio del test.

Zero entrambi i sensori di forza, quindi premere il pulsante "Raccogli" 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 contro il tempo" registrato da ciascun sensore. Le magnitudo della forza di picco dovrebbero essere comprese tra 8 e 20 Newton. Se la forza di picco è al di fuori di questo intervallo, ripetere l'esperimento e regolare la forza con cui viene spinto il carrello.

Quando i carrelli con massa uguale si scontrano, questa trama mostra che le forze che sperimentano 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 da fermo e caricalo con uno o più pesi in modo che abbia da 2 a 3 volte la massa del carrello mobile.

Zero entrambi i sensori di forza, premere il pulsante "Raccogli" e ripetere l'esperimento di collisione spingendo il carrello senza pesi nel carrello pesato

Quando il carrello mobile meno massiccio si scontra con quello più massiccio e stazionario, rimbalza con velocità molto diverse. Nonostante le apparenze, le grandezze delle forze sono in realtà uguali, come mostrano chiaramente le trame. Questo comportamento può essere fonte di confusione, ma è perché il carrello meno massiccio sperimenta un'accelerazione maggiore rispetto a quello più massiccio, ancora una volta perché l'accelerazione equivale alla forza divisa per la massa.

Quindi, trasferire i pesi dal carrello fisso al carrello mobile per invertire i ruoli dei carrelli. Ripeti l'esperimento con il carrello mobile che è più massiccio e il carrello stazionario è meno massiccio. Zero entrambi i sensori di forza e premere il pulsante "Raccogli". Ripeti l'esperimento spingendo il carrello pesato in quello non pesato.

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 la stessa grandezza. 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'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 vero.

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 le collisioni nel sistema solare primordiale. Le particelle sono state lasciate cadere e la loro collisione 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 sono rimasti intatti, le forze d'impatto li hanno fatti 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!