La dinamica classica e i principi di Newton costituiscono il fondamento della meccanica.
Questo capitolo analizza forza, massa, accelerazione e sistemi inerziali.
Se la cinematica descrive come varia nel tempo la posizione di un corpo,
la dinamica affronta la questione più profonda:
quale relazione esiste tra le cause meccaniche esterne
e la conseguente variazione dello stato di moto?
La risposta a questa domanda è contenuta nei tre princìpi di Newton,
che costituiscono il fondamento della meccanica classica.
Quando un corpo esercita una forza su un altro, il secondo esercita simultaneamente sul primo una forza della stessa intensità, con la stessa direzione e verso opposto.
Le due forze agiscono sempre su corpi diversi e, proprio per questo motivo, non si annullano.
Il principio di azione e reazione
Il Terzo Principio della Dinamica, formulato da Isaac Newton, descrive il modo in cui i corpi interagiscono tra loro.
Esso afferma che una forza non nasce mai da sola, ma è sempre il risultato di un’interazione tra due corpi.
Ogni volta che un corpo esercita una forza su un altro, riceve nello stesso istante una forza della stessa intensità, con la stessa direzione e verso opposto.
Le due forze sono inseparabili: una non può esistere senza l’altra.
Per questo motivo il Terzo Principio è conosciuto anche come principio di azione e reazione e costituisce uno dei principi fondamentali della meccanica classica.
Enunciato del Terzo Principio della Dinamica
Se un corpo A esercita una forza su un corpo B,
il corpo B esercita simultaneamente sul corpo A una forza
uguale in intensità, con la stessa direzione e verso opposto.
Perché azione e reazione non si annullano?
Leggendo l’enunciato del Terzo Principio della Dinamica, molti studenti si pongono una domanda del tutto naturale:
se le due forze sono uguali e opposte, perché non si annullano?
La risposta è il cuore di questo principio.
Le forze di azione e reazione non agiscono mai sullo stesso corpo, ma su due corpi differenti.
Proprio per questo motivo non possono essere sommate tra loro e non si annullano.
Quando il corpo A esercita una forza sul corpo B, la forza di azione agisce sul corpo B.
Nello stesso istante il corpo B esercita una forza uguale e opposta sul corpo A.
La forza di reazione agisce quindi sul corpo A.
Poiché ciascun corpo subisce una forza diversa, per studiare il moto di un corpo bisogna considerare soltanto le forze che agiscono su quel corpo e non quelle che agiscono sugli altri corpi coinvolti nell’interazione.
Da ricordare
Le forze di azione e reazione sono uguali e opposte, ma agiscono sempre su corpi diversi. Per questo motivo non possono annullarsi.
Il Terzo Principio della Dinamica nella vita quotidiana
L’esempio dei pattinatori sul ghiaccio mostra in modo molto chiaro il Terzo Principio della Dinamica. Quando uno dei due esercita una forza sull’altro, anche il secondo esercita nello stesso istante una forza uguale in intensità, con la stessa direzione e verso opposto.
Le due forze appartengono però a corpi diversi. Per questo motivo entrambi i pattinatori iniziano a muoversi in direzioni opposte. Nessuno dei due “vince” la spinta: ciascuno riceve la propria forza di reazione.
Questo esempio mette in evidenza che il moto non dipende soltanto dalla forza esercitata, ma anche dalla massa dei corpi coinvolti. Se uno dei due pattinatori ha una massa maggiore, si allontanerà con un’accelerazione minore rispetto all’altro, pur essendo le forze uguali in intensità.
Osserva
Se uno dei due pattinatori ha una massa maggiore, i due continuano a esercitare forze uguali e opposte. Cambia però l’accelerazione, perché essa dipende anche dalla massa del corpo.
Perché un razzo può muoversi nel vuoto?
A prima vista potrebbe sembrare che un razzo abbia bisogno dell’aria per avanzare. In realtà accade esattamente il contrario. Il Terzo Principio della Dinamica spiega perché un razzo può accelerare anche nello spazio, dove non esiste alcun appoggio contro cui spingere.
La risposta è contenuta proprio nel Terzo Principio della Dinamica. Il razzo non avanza perché spinge contro l’aria o contro il vuoto, ma perché espelle i gas di scarico ad alta velocità attraverso i motori.
Quando il razzo esercita una forza sui gas, i gas esercitano nello stesso istante una forza uguale in intensità e opposta nel verso sul razzo. Questa forza di reazione lo accelera nella direzione opposta all’espulsione dei gas.
Per questo motivo un razzo può muoversi anche nello spazio, dove non esiste alcun mezzo contro cui spingere. È l’interazione tra il razzo e i gas espulsi a generare la spinta necessaria al suo movimento.
Osserva
Il razzo non ha bisogno dell’aria per muoversi. Anche nel vuoto continua a espellere gas di scarico e, grazie al principio di azione e reazione, continua ad accelerare.
Il palloncino: un esperimento che puoi fare anche tu
Questo esperimento, facile da riprodurre, mostra che il principio di azione e reazione non riguarda soltanto razzi o sistemi complessi, ma è presente anche negli oggetti di uso quotidiano.
Il palloncino rappresenta uno degli esperimenti più semplici ed efficaci per osservare il Terzo Principio della Dinamica. Quando l’aria viene espulsa dall’apertura, il palloncino esercita una forza sull’aria spingendola all’indietro.
Nello stesso istante l’aria esercita una forza uguale in intensità e opposta nel verso sul palloncino, che inizia a muoversi nella direzione opposta. Non è necessario alcun motore: il movimento nasce esclusivamente dall’interazione tra il palloncino e l’aria espulsa.
Proprio per la sua semplicità, questo esperimento viene spesso utilizzato nelle scuole per mostrare in modo immediato il principio di azione e reazione e permettere agli studenti di verificare direttamente uno dei tre principi fondamentali della dinamica.
In sintesi
Ogni volta che due corpi interagiscono nasce una coppia di forze uguali in intensità, con la stessa direzione e verso opposto. Le due forze agiscono però su corpi diversi e, proprio per questo motivo, non si annullano. Questo principio spiega fenomeni semplici come il moto di un palloncino e applicazioni straordinarie come il lancio di un razzo nello spazio.
Metti alla prova ciò che hai imparato
Risolvi i seguenti problemi applicando il Terzo Principio della Dinamica. Prima di eseguire i calcoli, individua sempre i corpi che interagiscono e riconosci correttamente la coppia di forze di azione e reazione.
Problema 1 – Individua la coppia di azione e reazione
Due pattinatori sono inizialmente fermi sul ghiaccio. A un certo istante il pattinatore A spinge il pattinatore B con una forza di 120 N.
Domanda:
Quale forza esercita il pattinatore B sul pattinatore A?
💡 Verifica la tua risposta
Soluzione
Il pattinatore B esercita sul pattinatore A una forza di
120 N, con la stessa direzione e verso opposto rispetto alla forza esercitata da A sul pattinatore B.
Le due forze hanno la stessa intensità, ma agiscono su corpi diversi.
Problema 2 – La forza esercitata dai gas sul razzo
Durante il funzionamento dei motori, un razzo esercita sui gas di scarico una forza di
45 000 N diretta verso il basso.
Domanda:
Quale forza esercitano i gas di scarico sul razzo?
Indica anche la direzione e il verso della forza.
💡 Verifica la tua risposta
Soluzione
I gas di scarico esercitano sul razzo una forza di
45 000 N, con la stessa direzione ma verso opposto rispetto alla forza esercitata dal razzo sui gas.
Secondo il Terzo Principio della Dinamica, le due forze hanno sempre lo stesso modulo e agiscono su corpi diversi.
Problema 3 – Vero o falso?
Uno studente afferma:
Domanda:
L’affermazione è corretta oppure no? Motiva la risposta utilizzando il Terzo Principio della Dinamica.
💡 Verifica la tua risposta
Soluzione
L’affermazione è falsa.
Il razzo non deve spingere contro l’aria o contro il vuoto. I motori espellono i gas di scarico in una direzione; nello stesso istante i gas esercitano sul razzo una forza uguale in intensità e opposta nel verso.
È questa forza di reazione che accelera il razzo. Perciò il razzo può muoversi anche nel vuoto, dove non è presente aria.
✔ Hai davvero compreso il Terzo Principio?
Prima di proseguire, verifica di essere in grado di rispondere con sicurezza a queste domande:
- So riconoscere una coppia di forze di azione e reazione?
- So spiegare perché azione e reazione non si annullano?
- So applicare il Terzo Principio ai pattinatori, al razzo e al palloncino?
- So distinguere il Terzo Principio dal Secondo Principio della Dinamica?
Se hai risposto con sicurezza a tutte le domande, è il momento di verificare sul campo ciò che hai imparato. Apri il Laboratorio Virtuale e osserva il Terzo Principio della Dinamica in azione.
Metti alla prova il Terzo Principio della Dinamica
Dopo aver studiato il principio di azione e reazione, è il momento di sperimentarlo direttamente. Nel Laboratorio Virtuale potrai osservare come le forze agiscono su corpi diversi, analizzare esempi reali e verificare passo dopo passo ciò che hai imparato in questo capitolo.
