Quali sono i tre principi della dinamica secondo le leggi di Newton?

I principi della dinamica, anche conosciuti come leggi di Newton, sono tre leggi che descrivono il comportamento di oggetti sotto l’azione di forze esterne. Furono pubblicati da Isaac Newton già nel lontano 1687 nel suo famoso trattato Philisophiae naturalis principia mathematica e riguardano il principio di inerzia, il principio di proporzionalità e il principio di azione e reazione.
Ma di preciso, di cosa si tratta? Vediamo cosa dicono i tre principi della dinamica newtoniana conosciuti anche come "leggi di Newton".

Principio di inerzia

Il primo principio della dinamica è chiamato principio di inerzia e definisce quanto segue: se ad un corpo vengono applicate varie forze la cui somma risultante è nulla, allora il corpo preserva il proprio stato di quiete o di moto rettilineo uniforme (ovvero mantenendo la stessa direzione e senso di marcia, a velocità costante). In poche parole non accelera né decelera ma mantiene velocità e traiettoria oppure, nel caso in cui sia fermo, resta tale.

Sulla Terra questo principio è difficile da osservare a causa dell’attrito, una forza non conservativa che dissipa nell'ambiente circostante energia termica che non può essere riutilizzata. Questo fenomeno è dovuto all’interazione elettrostatica tra due materiali in contatto (che siano essi solidi, liquidi o gassosi). La conosciamo tutti: è la stessa forza che ci permette di arrestare l'auto in movimento, grazie all'azione delle pastiglie dei freni contro i dischi delle ruote, o di accendere un fuoco, sfregando tra loro due pezzi di legno secco.

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Galileo aveva intuito questo principio cinquant'anni prima di Newton, osservando il moto dei corpi celesti e in caduta libera, ma presupponeva che di base i corpi compissero traiettorie circolari e non rettilinee, sbagliandosi. Anche un altro pensatore precedente (del IV secolo a.C), il grande Aristotele, non aveva totalmente capito le dinamiche del moto: era convinto che lo stato naturale dei corpi fosse la quiete e che fosse necessaria una forza esterna per indurre qualsiasi tipo di moto.
A differenza loro Newton aveva intuito, invece, che un corpo può già avere una traiettoria e un senso di marcia, senza l'applicazione di una forza esterna.

Principio di proporzionalità

Il secondo principio della dinamica chiamato anche principio di proporzionalità definisce un coefficiente di proporzionalità diretta fra la forza applicata F e l’accelerazione a, chiamata massa inerziale m (che rappresenta la resistenza che il corpo oppone alla sua accelerazione) secondo la formula:

F = m · a

Questo principio stabilisce che, se la sommatoria delle forze è diversa da zero, il corpo accelera o decelera. Detta in altro modo, una forza netta applicata ad un corpo ne causa il cambiamento dello stato di moto.

Principio di azione e reazione

Il terzo principio viene chiamato principio di azione e reazione e definisce che qualsiasi forza (azione) sia bilanciata da una seconda forza (detta di reazione) di egual intensità, ma di verso opposto. Stabilisce inoltre la conservazione della quantità di moto p, una grandezza fisica data dal prodotto fra massa m e velocità v dell'oggetto:

p = m · v

Per fare un esempio immaginiamo di appoggiare un vaso di fiori sul tavolo: se il vaso imprime una forza peso verso il basso (azione) il tavolo risponderà con una forza uguale ma con opposta (reazione) per bilanciarla e mantenere il vaso in posizione di equilibrio.
Ma non serve per forza restare sulla Terra per notare questo principio: vale anche per la forza di attrazione fra corpi celesti. La Terra e la Luna sono attratte reciprocamente dalla stessa identica forza, diretta nei due versi opposti (vedi immagine).

Bisogna ricordare che le tre leggi appena descritte sono valide per corpi puntiformi e non tengono in considerazione la vera dimensione degli oggetti.
Fu solo nel diciottesimo secolo che Eulero estese questi principi a corpi rigidi tridimensionali, con le equazioni di Eulero, anche conosciute come le equazioni della dinamica del corpo rigido.

E il pendolo di Newton?

Su questi concetti si basa il cosiddetto pendolo di Newton, un pendolo composto da tante sferette di massa uguale legate ad un filo, a contatto l'una con l'altra. Quando si imprime una forza alla prima sfera, si innesca un effetto a catena che fa muovere soltanto l'ultima sferetta. Questo è dovuto alla conservazione della quantità di moto, che è proporzionale alla massa.
Ma cosa succede se imprimiamo una forza alle prime due sfere e non ad una sola? Saranno le ultime due a muoversi! Questo processo continua con un movimento oscillatorio, con il passaggio di quantità di moto fra le sferette alle due estremità.

A causa dell'attrito, però, questo gioco ha un termine e non continua all'infinito. In un ambiente privo di attrito, come nel vuoto perfetto (che tecnicamente non esiste!) questo gioco potrebbe continuare ipoteticamente in eterno.

Prima di concludere, la volete sapere una curiosità? Non fu Newton ad inventare il pendolo! Sembra infatti che sia stato Robert Hooke, un altro grande attore della rivoluzione scientifica che, tra le altre cose, fu il primo a coniare il termine "cellula"!