In che modo le leggi del moto di Newton interagiscono con il tennis?

Quando guardi il tennis, o qualsiasi altro sport, stai guardando una dimostrazione di fisica, solo con più applausi rispetto al tipico esperimento di fisica. Al centro dell'azione sono le tre leggi del movimento descritte nel 1687 da Sir Isaac Newton, il campione del Grande Slam della scienza preindustriale. In molti modi, una partita di tennis è una prova di quale giocatore manipola le leggi di Newton con il massimo effetto.

La prima legge del moto di Newton è comunemente chiamata legge dell'inerzia: un oggetto in uno stato di moto uniforme rimarrà in quel movimento a meno che non incontri una forza esterna, e un oggetto in quiete rimarrà in quiete a meno che non subisca l'azione di una forza esterna vigore. La seconda legge di Newton definisce la relazione tra la massa di un oggetto, la forza applicata ad esso e l'accelerazione che ne risulta: la forza è uguale alla massa per l'accelerazione, o F=ma. La terza legge del moto di Newton potrebbe essere quella con cui la maggior parte delle persone ha più familiarità, se non altro perché la vedono citata così spesso: per ogni azione c'è una reazione uguale e contraria.

Nel tennis, l'esempio più ovvio della prima legge di Newton è il percorso della palla. Quando colpisci la palla con la racchetta, questa si dirige in una certa direzione. Se stessi giocando nel vuoto dello spazio intergalattico, ad anni luce da qualsiasi corpo che produce gravità, la palla continuerebbe in quella direzione più o meno indefinitamente, perché nessuna forza esterna agirebbe su esso. Sulla Terra, tuttavia, sono all'opera due forze principali: la resistenza dell'aria rallenta la velocità della palla e la gravità tira la palla verso il suolo.

Quando hai colpito quella pallina da tennis con la tua racchetta, nello spazio o sulla Terra, hai esercitato una forza su di essa. Quanta forza? È qui che entra in gioco la seconda legge di Newton: la forza è uguale alla massa per l'accelerazione. In questa equazione, la massa viene misurata in chilogrammi e l'accelerazione in un'unità chiamata "metri al secondo al secondo". L'accelerazione non è la stessa cosa della velocità; piuttosto, è la velocità con cui qualcosa sta accelerando. Se un oggetto si muove a 1 m al secondo, o "m/s", e accelera in modo che un secondo dopo si muova a 2 m/s, allora ha accelerato di 1 m/s in quel secondo -- 1 m al secondo al secondo.

Ora torniamo alla pallina da tennis che hai colpito: una pallina da tennis ha una massa di circa 56 g, o 0,056 kg. E diciamo che metti abbastanza zing sulla palla che un decimo di secondo dopo averla colpita raggiunge i 100 mph, o 44,7 m al secondo. Questa è una velocità di accelerazione di 447 m al secondo al secondo, o m/s/s. Moltiplica 0,056 kg per 447 m/s/s e ottieni 25,032. Ma 25,032 di cosa? La forza è misurata in unità chiamate, in modo abbastanza appropriato, Newton. Hai colpito la palla con 25,032 Newton di forza. Bel servizio.

Tu servi la palla, il tuo avversario risponde al servizio e tu vai a rispondere al suo tiro al volo. Appoggi il piede a terra e spingi. Spingi in una direzione - con un angolo nel terreno - e il tuo corpo va nella direzione opposta, con un angolo lontano dal terreno. La forza con cui hai spinto nel terreno è la forza con cui sei spinto in avanti. Questa è azione e reazione. Sei la terza legge del moto di Newton, in movimento.