Quali sono le leggi del moto di Newton?

1. Un oggetto a riposo rimane a riposo e un oggetto in movimento rimane in movimento a velocità costante e in linea retta a meno che non agisca da una forza sbilanciata.
2. L’accelerazione di un oggetto dipende dalla massa dell’oggetto e dalla quantità di forza applicata.
3. Ogni volta che un oggetto esercita una forza su un altro oggetto, il secondo oggetto esercita un uguale e opposto sul primo.

Sir Isaac Newton ha lavorato in molte aree della matematica e della fisica. Sviluppò le teorie della gravitazione nel 1666 quando aveva solo 23 anni. Nel 1686 presentò le sue tre leggi del moto nei “Principia Mathematica Philosophiae Naturalis.”

Sviluppando le sue tre leggi del moto, Newton rivoluzionò la scienza. Le leggi di Newton insieme alle leggi di Keplero spiegarono perché i pianeti si muovono in orbite ellittiche piuttosto che in cerchi.

Di seguito è riportato un breve filmato con Orville e Wilbur Wright e una discussione su come le leggi del Moto di Newton applicate al volo dei loro aerei.

La prima legge di Newton: Inerzia

Un oggetto a riposo rimane a riposo e un oggetto in movimento rimane in movimento a velocità costante e in linea retta a meno che non agisca da una forza sbilanciata.

La prima legge di Newton afferma che ogni oggetto rimarrà a riposo o in moto uniforme in linea retta a meno che non sia costretto a cambiare il suo stato dall’azione di una forza esterna. Questa tendenza a resistere ai cambiamenti in uno stato di movimento è l’inerzia. Non c’è forza netta che agisce su un oggetto (se tutte le forze esterne si annullano a vicenda). Quindi l’oggetto manterrà una velocità costante. Se quella velocità è zero, allora l’oggetto rimane a riposo. Se una forza esterna agisce su un oggetto, la velocità cambierà a causa della forza.

Esempi di inerzia che coinvolgono l’aerodinamica:

• Il movimento di un aereo quando un pilota cambia l’impostazione della valvola a farfalla di un motore.
• Il movimento di una palla che cade attraverso l’atmosfera.
• Un modello di razzo lanciato nell’atmosfera.
• Il movimento di un aquilone quando il vento cambia.

La seconda legge di Newton: Forza

L’accelerazione di un oggetto dipende dalla massa dell’oggetto e dalla quantità di forza applicata.

La sua seconda legge definisce una forza uguale al cambiamento di quantità di moto (massa per velocità) per cambiamento nel tempo. La quantità di moto è definita come la massa m di un oggetto per la sua velocità V.

Supponiamo di avere un aereo in un punto “0” definito dalla sua posizione X0 e dal tempo t0. L’aereo ha una massa m0 e viaggia a velocità V0. Una forza esterna F all’aeroplano mostrato sopra lo sposta al punto “1”. La nuova posizione dell’aereo è X1 e time t1.

La massa e la velocità dell’aereo cambiano durante il volo ai valori m1 e V1. La seconda legge di Newton può aiutarci a determinare i nuovi valori di V1 e m1, se sappiamo quanto è grande la forza F. Prendiamo solo la differenza tra le condizioni al punto “1” e le condizioni al punto “0”.

F = (m1 * V1 – m0 * V0) / (t1 – t0)

La seconda legge di Newton parla dei cambiamenti nella quantità di moto (m * V) quindi, a questo punto, non possiamo separare quanto è cambiata la massa e quanto è cambiata la velocità. Sappiamo solo quanto prodotto (m * V) è cambiato.

Supponiamo che la massa rimanga un valore costante pari a m. Questa ipotesi è piuttosto buona per un aereo, l’unica variazione di massa sarebbe per il carburante bruciato tra il punto “1” e il punto “0”. Il peso del carburante è probabilmente piccolo rispetto al peso del resto dell’aereo, specialmente se guardiamo solo a piccoli cambiamenti nel tempo. Se stavamo discutendo il volo di una palla da baseball, allora certamente la massa rimane una costante. Ma se stavamo discutendo il volo di un razzo di bottiglia, allora la massa non rimane una costante e possiamo solo guardare i cambiamenti di slancio. Per una massa costante m, la seconda legge di Newton assomiglia a:

F = m * (V1 – V0) / (t1 – t0)

Il cambiamento di velocità diviso per il cambiamento nel tempo è la definizione dell’accelerazione a. La seconda legge si riduce quindi al prodotto più familiare di una massa e di un’accelerazione:

F = m * a

Ricorda che questa relazione è buona solo per oggetti che hanno una massa costante. Questa equazione ci dice che un oggetto sottoposto a una forza esterna accelererà e che la quantità dell’accelerazione è proporzionale alla dimensione della forza. La quantità di accelerazione è anche inversamente proporzionale alla massa dell’oggetto; a parità di forze, un oggetto più pesante sperimenterà meno accelerazione di un oggetto più leggero. Considerando l’equazione della quantità di moto, una forza provoca un cambiamento di velocità; e allo stesso modo, un cambiamento di velocità genera una forza. L’equazione funziona in entrambi i modi.

La velocità, la forza, l’accelerazione e la quantità di moto hanno sia una grandezza che una direzione ad esse associate. Scienziati e matematici chiamano questa quantità vettoriale. Le equazioni mostrate qui sono in realtà equazioni vettoriali e possono essere applicate in ciascuna delle direzioni dei componenti. Abbiamo esaminato solo una direzione e, in generale, un oggetto si muove in tutte e tre le direzioni (su-giù, sinistra-destra, avanti-indietro).

Esempio di forza che coinvolge l’aerodinamica:

• Il movimento di un aereo derivante da forze aerodinamiche, peso dell’aeromobile e spinta.

Terza Legge di Newton: Azione & Reazione

Ogni volta che un oggetto esercita una forza su un secondo oggetto, il secondo oggetto esercita una forza uguale e opposta sul primo.

La sua terza legge afferma che per ogni azione (forza) in natura c’è una reazione uguale e opposta. Se l’oggetto A esercita una forza sull’oggetto B, l’oggetto B esercita anche una forza uguale e opposta sull’oggetto A. In altre parole, le forze derivano dalle interazioni.

Esempi di azione e reazione che coinvolgono l’aerodinamica:

• Il movimento di sollevamento da un profilo alare, l’aria viene deviata verso il basso dall’azione del profilo alare, e in reazione, l’ala viene spinta verso l’alto.
• Il movimento di una palla che gira, l’aria viene deviata da un lato, e la palla reagisce spostando il contrario
• Il movimento di un motore a reazione produce spinta e gas di scarico caldi portata fuori la parte posteriore del motore, e una spinta di forza è prodotta nella direzione opposta.

Rivedere le leggi del moto di Newton

1. La prima Legge del Moto di Newton (Inerzia)	Un oggetto a riposo rimane a riposo, e un oggetto in movimento rimane in movimento a velocità costante e in linea retta a meno che non agisca da una forza sbilanciata.
2. La seconda legge del moto di Newton (Forza)	L’accelerazione di un oggetto dipende dalla massa dell’oggetto e dalla quantità di forza applicata.
3. La terza Legge del Moto di Newton (Azione & Reazione)	Ogni volta che un oggetto esercita una forza su un altro oggetto, il secondo oggetto esercita un uguale e opposto sul primo.