Lezione I
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© Nichi D'Amico
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Introduzione
Tradizionalmente, i primi argomenti trattati in un corso di Fisica sono quelli propedeutici,
per esempio i sistemi di unità di misura, la definizione delle grandezze fisiche
fondamentali, come lunghezza, massa e tempo, l’analisi dimensionale, le grandezze
vettoriali.
Questo approccio a prima vista può risultare un po’ tedioso, ma è necessario, per dotarsi
degli strumenti di lavoro necessari per una trattazione rigorosa degli argomenti
fondamentali della Fisica
Per rendere questo primo approccio meno noioso e soprattutto per fare emergere
in noi stessi l’esigenza di definire tutte queste questioni preliminari, durante la prima
lezione proveremo a fare un balzo in avanti.
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In questa prima lezione vedremo di sfruttare la nostra esperienza quotidiana (e non
necessariamente le nozioni di Fisica che abbiamo acquisito al Liceo) per renderci
conto che con alcuni semplici esperimenti simulati, possiamo avvicinarci alla
comprensione e alla formulazione di importanti Leggi della Fisica, per esempio la
Conservazione della Quantità di Moto e la Conservazione dell’Energia.
Ovviamente potremo farlo solo in modo qualitativo, ma ci servirà per renderci conto
che se ci mettiamo d’accordo sulla definizione di alcune grandezze fisiche fondamentali,
se ci mettiamo d’accordo sulle unità di misura di queste grandezze, e se entriamo
in possesso di alcuni semplici strumenti di calcolo, allora la comprensione e la definizione
operativa di queste Leggi sarà semplice.
E soprattutto saremo in grado di applicarle
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Consideriamo alcuni semplici esperimenti, il cui esito è prevedibile in base alla nostra
esperienza quotidiana (e non necessariamente in base alle conoscenze di Fisica che
abbiamo dal Liceo).
Una biglia si muove indisturbata ad una data velocità costante
v
Cosa ci dice questo esperimento ? Cosa vuol dire «indisturbata» ?
Beh, vuol dire per esempio che su questa biglia NON agiscono forze!
Vuol dire per esempio che evidentemente si muove nel VUOTO, e quindi non è
soggetta a fenomeni di rallentamento, dovuti per esempio all’attrito, etc..
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Se questa cosa ci convince, abbiamo già enunciato il primo principio della
dinamica, il Principio di Inerzia (o prima legge di Newton), che afferma che:
I Legge di Newton:
un corpo permane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme a meno
che non intervenga una forza esterna a modificare tale stato
Molto qualitativo e ancora poco operativo: per passare ad una trattazione rigorosa,
ci rendiamo già conto che dovremo metterci d’accordo per esempio sulla definizione
di velocità, su come si misura, etc.. Si, perché noi di questo enunciato vorremo fare le
nostre verifiche sperimentali !
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Un altro esperimento:
Una biglia che viaggia indisturbata a velocità v, colpisce una biglia ferma, di eguale massa:
Con l’urto, la biglia bersaglio schizza via con la stessa velocità
della biglia incidente, che invece si ferma!
INTERESSANTE !
Abbiamo forse scoperto una prima Legge Fondamentale della Fisica?
Forse questa è la Legge dello scambio delle velocità?
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Beh, se facciamo altri esperimenti,
per esempio usando biglie di massa leggermente differente,
vedremo che NON è esattamente così
In questo caso, la biglia bersaglio è un un po’ (*) più leggera della biglia incidente
Con l’urto, la biglia bersaglio schizza via con una velocità v2 > v1
(*) vedremo più avanti che se le due biglie sono di massa molto differente, le cose
si complicano e per esempio la biglia più pesante non si ferma!
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Viceversa:
Supponiamo che la biglia bersaglio sia un po’ (*) più pesante della biglia incidente
Con l’urto, la biglia bersaglio acquista una velocita v2 < v1
(*) vedremo più avanti che se le due biglie sono di massa molto differente, le cose
si complicano e per esempio la biglia più leggera rimbalza!
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Non siamo ancora in grado di quantificare questo fenomeno perché non ci siamo ancora
messi d’accordo per esempio su come si misura la velocità, tuttavia, possiamo già porci
la seguente domanda:
Visto che nell’urto, la biglia che era in moto si ferma e la biglia che era ferma si
mette in moto, come mai la biglia che era ferma non parte sempre con la stessa velocità
di quella che l’ha colpita ? Evidentemente, negli urti, la velocità NON si conserva !
Ma allora NON siamo in grado di prevedere a che velocità partirà la biglia che era ferma ?
Sarebbe strano ! Se così fosse vorrebbe dire che la biglia parte con una velocità casuale ?
Immaginiamo cosa dovremmo fare per investigare meglio il fenomeno e vediamo se
siamo in grado di intuire l’esistenza di una Legge che ci consenta di prevedere la
velocità della biglia che parte, data una velocità della biglia incidente.
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Potremmo fare per esempio una serie di esperimenti sulla stessa biglia «bersaglio»,
utilizzando di volta in volta biglie incidenti sempre più pesanti,
che si muovo però alla stessa velocità
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Ah !!!
Interessante !!!
L’esperimento sembra suggerire che a parità di velocità della biglia incidente,
la velocità che acquista la biglia ferma aumenti in funzione della MASSA M
della biglia incidente
v = f (M)
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Non abbiamo ancora definito la «velocità» e quindi non saremmo ancora in grado di misurarla,
ma basiamoci sulla nostra esperienza quotidiana e supponiamo di sapere fare queste misure.
Misuriamo le varie velocità
riportiamo i valori di
v
acquisite dalla stessa biglia bersaglio ad ogni urto, e
v in un grafico in funzione della massa M della biglia incidente.
v
v= kM
v3
v2
v1
M1
M2
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M3
M
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Quindi: a parità di velocità della biglia incidente, la velocità vb
acquisita dalla biglia bersaglio è proporzionale alla massa M della
biglia incidente
Facendo ulteriori esperimenti con biglie bersaglio di massa m
differenti,
e con biglie incidenti con velocità vi differenti, e
riportando su grafico i dati, intuiremo che :
mvb = Mvi
Vedremo meglio nel seguito che nel caso di masse molto differenti, non potremo
trascurare la «velocità residua» dopo l’urto
della biglia incidente, o il suo eventuale rimbalzo.
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In Fisica « mv » è definita:
Quantità di Moto
Ed è importante in quanto è una
quantità che si CONSERVA
cioè: la quantità di moto di un sistema «isolato» non cambia
Vedremo, durante lo svolgimento del corso, che le quantità
che si conservano sono rilevanti in Fisica, in quanto ci
permettono di prevedere l’evoluzione di un sistema …
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Adesso passiamo ad un altro tipo di esperimenti
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Possiamo ripetere l’esperimento con una delle nostre biglie, così da fare delle misure
e noteremo che all’inizio la velocità è zero, al centro della buca raggiunge un certo valore
massimo e poi torna a zero
Velocità = 0
Velocità = 0
Velocità = max
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E possiamo facilmente renderci conto che se non fermiamo la biglia quando arriva sulla
sponda, il processo dura all’infinito
Velocità = 0
Velocità = 0
Velocità = max
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Che è successo ? La nostra biglia, originariamente ferma ha acquisito
Quantità di Moto ???? Ma non avevamo detto che la Quantità di Moto si conserva ?
E allora da dove viene questa Quantità di Moto ?
Beh, noi abbiamo solo stabilito che la Quantità di Moto di un sistema isolato si conserva:
Evidentemente il nostro sistema (la biglia in cima alla buca) NON è isolato!
E infatti sulla biglia agisce la forza gravitazionale.
Così come la mela di Newton cade per terra, acquistando velocità,
cosi fa la nostra biglia.
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Anche qui possiamo studiare meglio il fenomeno facendo varie misure. Per esempio
noteremo che se lasciamo libera la biglia da una altezza inferiore, la velocità massima
che misuriamo al fondo della buca è inferiore a quella precedente.
Velocità = 0
Velocità = 0
Velocità = max ma più bassa della precedente
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Facendo successive misure, e ponendo i risultati su dei grafici, ci renderemo presto
conto che l’altezza
h
in cui si trova la biglia ad ogni istante e la sua velocità v in
quello stesso istante sono perfettamente correlate:
8 10 12 14 16
v (m/s)
4
0
0
2
1
6
2
3
4
h (m)
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Adesso modifichiamo leggermente l’esperimento e lasciamo cadere la nostra biglia
lungo il seguente percorso:
h (m)
Noteremo facilmente che non appena la biglia raggiunge il tratto orizzontale inizia a
muoversi con velocità costante v. Facciamo partire la biglia da un’altezza h sempre
maggiore e scopriremo che la velocità che acquista la biglia cresce.
L’altezza e il quadrato della velocità sono correlati!
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 v2 proporzionale a h
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In particolare, scopriremo che la proporzionalità è fra mv2 e
Ah !, Peccato !
h
Si perché se avessimo scoperto proporzionalità con
allora sarebbe stato molto interessante. Si perché abbiamo visto che
mv
mv è una
importante quantità fisica: la quantità di moto. Negli urti la quantità di moto passa
da una biglia all’altra!
E allora ? Questa relazione fra
h e mv2 è una nuova Legge ? Ci può essere utile ?
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Per capire il significato fisico della correlazione fra l’altezza h e la quantità mv2, facciamo
un altro esperimento. Facciamo cadere un biglia su un vetro da varie altezze:
h2 > h1
h1
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Cosa è successo nel secondo caso ? Abbiamo colpito il vetro con una
energia superiore all’ energia di legame del reticolo cristallino del vetro.
Possiamo immaginare la struttura molecolare del vetro come qualcosa del genere:
Atomi e molecole tenuti insieme dall’energia di legame
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E infatti: l’altezza h da cui cade la biglia è correlata all’ energia cinetica (cioè
energia di movimento) che acquisisce la biglia.
Quando questa energia cinetica supera il valore dell’energia di legame del reticolo
cristallino, il vetro si spezza.
Tradurremo questo in termini fisici affermando che un corpo di massa m che si trova
ad un’altezza h possiede una energia potenziale dipendente da h
Così come negli urti fra due biglie, la quantità di moto passa da una biglia all’altra
conservandosi, nel nostro nuovo esperimento l’energia di una biglia passa dallo stato di
energia potenziale allo stato di energia cinetica, e viceversa, e l’energia totale della
biglia si conserva
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Energia potenziale
Energia cinetica
Energia TOTALE
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In sostanza, siamo pervenuti all’intuizione di un’altra importante Legge della Fisica:
La conservazione dell’energia
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Nell’immaginare questi esperimenti e quindi nell’immaginare come procedere per
pervenire alla formulazione (e alla successiva verifica!!! ) delle Leggi di Conservazione
che abbiamo intuito, abbiamo immaginato di fare delle misure, di rappresentare queste
misure con dei numeri, di riportare i numeri su dei grafici, di derivare delle formule…
E’ chiaro quindi che per potere affrontare questi step in modo rigoroso e soprattutto in
modo riproducibile, dobbiamo metterci d’accordo su alcune definizioni.
Abbiamo parlato di massa: dovremo definire la massa e le sue unità di misura
Abbiamo parlato di velocità: velocità significa «rapidità di spostamento». Dovremo quindi
definire lo spostamento e come si misura. Dovremo definire il tempo e come si misura,
Etc…etc…
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