Le tre leggi del moto di Sir Isaac Newton descrivono il moto dei corpi massicci e come interagiscono. Mentre le leggi di Newton possono sembrare ovvie a noi oggi, più di tre secoli fa erano considerate rivoluzionarie.
Newton è stato uno degli scienziati più influenti di tutti i tempi. Le sue idee divennero la base per la fisica moderna. Ha costruito su idee presentate dalle opere di scienziati precedenti tra cui Galileo e Aristotele ed è stato in grado di dimostrare alcune idee che erano state solo teorie in passato. Ha studiato ottica, astronomia e matematica — ha inventato il calcolo. (Il matematico tedesco Gottfried Leibniz è anche accreditato con lo sviluppo indipendente all’incirca nello stesso periodo.)
Newton è forse meglio conosciuto per il suo lavoro nello studio della gravità e del moto dei pianeti. Spinto dall’astronomo Edmond Halley dopo aver ammesso di aver perso la prova di orbite ellittiche pochi anni prima, Newton pubblicato le sue leggi, nel 1687, nella sua opera fondamentale “Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica” (Principi Matematici della Filosofia Naturale) in cui ha ufficializzato la descrizione di come la massiccia corpi si muovono sotto l’influenza di forze esterne.
Nel formulare le sue tre leggi, Newton semplificò il suo trattamento dei corpi massicci considerandoli punti matematici senza dimensioni o rotazione. Ciò gli ha permesso di ignorare fattori come attrito, resistenza all’aria, temperatura, proprietà del materiale, ecc., e concentrarsi su fenomeni che possono essere descritti esclusivamente in termini di massa, lunghezza e tempo. Di conseguenza, le tre leggi non possono essere utilizzate per descrivere con precisione il comportamento di grandi oggetti rigidi o deformabili; tuttavia, in molti casi forniscono approssimazioni opportunamente accurate.
Le leggi di Newton riguardano il moto di corpi massicci in un quadro di riferimento inerziale, a volte chiamato un quadro di riferimento newtoniano, sebbene Newton stesso non abbia mai descritto tale quadro di riferimento. Un telaio di riferimento inerziale può essere descritto come un sistema di coordinate 3-dimensionale che è stazionario o in movimento lineare uniforme., cioè, non sta accelerando o ruotando. Ha scoperto che il movimento all’interno di un tale quadro di riferimento inerziale potrebbe essere descritto da tre semplici leggi.
La Prima Legge del Moto afferma: “Un corpo a riposo rimarrà a riposo, e un corpo in movimento rimarrà in movimento a meno che non sia agito da una forza esterna.”Questo significa semplicemente che le cose non possono iniziare, fermarsi o cambiare direzione da sole. Ci vuole una certa forza che agisce su di loro dall’esterno per causare un tale cambiamento. Questa proprietà dei corpi massicci di resistere ai cambiamenti nel loro stato di movimento è talvolta chiamata inerzia.
La Seconda Legge del Moto descrive ciò che accade a un corpo massiccio quando viene agito da una forza esterna. Esso afferma, ” La forza che agisce su un oggetto è uguale alla massa di quell’oggetto volte la sua accelerazione.”Questo è scritto in forma matematica come F = ma, dove F è forza, m è massa e a è accelerazione. Le lettere in grassetto indicano che forza e accelerazione sono quantità vettoriali, il che significa che hanno sia la grandezza che la direzione. La forza può essere una singola forza, oppure può essere la somma vettoriale di più di una forza, che è la forza netta dopo che tutte le forze sono state combinate.
Quando una forza costante agisce su un corpo massiccio, lo fa accelerare, cioè cambiare la sua velocità, ad una velocità costante. Nel caso più semplice, una forza applicata a un oggetto a riposo lo fa accelerare nella direzione della forza. Tuttavia, se l’oggetto è già in movimento, o se questa situazione viene visualizzata da un quadro di riferimento in movimento, quel corpo potrebbe sembrare accelerare, rallentare o cambiare direzione a seconda della direzione della forza e delle direzioni in cui l’oggetto e il quadro di riferimento si muovono l’uno rispetto all’altro.
La Terza Legge del Moto afferma: “Per ogni azione, c’è una reazione uguale e opposta.”Questa legge descrive cosa succede a un corpo quando esercita una forza su un altro corpo. Le forze si verificano sempre in coppia, quindi quando un corpo spinge contro un altro, il secondo corpo spinge indietro altrettanto duramente. Ad esempio, quando spingi un carrello, il carrello ti spinge contro; quando tiri una corda, la corda ti tira contro; quando la gravità ti tira contro il terreno, il terreno spinge contro i tuoi piedi; e quando un razzo accende il suo carburante dietro di esso, il gas di scarico in espansione spinge sul razzo facendolo accelerare.
Se un oggetto è molto, molto più massiccio dell’altro, in particolare nel caso in cui il primo oggetto sia ancorato alla Terra, praticamente tutta l’accelerazione viene impartita al secondo oggetto e l’accelerazione del primo oggetto può essere tranquillamente ignorata. Per esempio, se si dovesse lanciare una palla da baseball a ovest, non si dovrebbe considerare che in realtà ha causato la rotazione della Terra per accelerare sempre così leggermente mentre la palla era in aria. Tuttavia, se tu fossi in piedi sui pattini a rotelle e lanciassi una palla da bowling in avanti, inizieresti a muoverti all’indietro ad una velocità notevole.
Le tre leggi sono state verificate da innumerevoli esperimenti negli ultimi tre secoli, e sono ancora ampiamente utilizzate fino ad oggi per descrivere i tipi di oggetti e le velocità che incontriamo nella vita di tutti i giorni. Essi costituiscono il fondamento di ciò che ora è noto come meccanica classica, che è lo studio di oggetti massicci che sono più grandi delle scale molto piccole affrontate dalla meccanica quantistica e che si muovono più lentamente delle velocità molto elevate affrontate dalla meccanica relativistica.