Inerzia: cos'è e perché è importante? (con esempi)

Chiunque abbia istintivamente appoggiato le mani sul cruscotto di un'auto in previsione dell'improvviso arresto del veicolo comprende il concetto diinerzia, anche se non ha mai dedicato riflessioni specifiche alle leggi della fisica.

A questo passeggero attento può non venire in mente che lo stesso principio fisico spiega perché inclina consapevolmente la testa all'indietro contro il poggiatesta del sedile ogni volta che il conducente sta per premere il pedale dell'acceleratore: sa per esperienza che un guidatore "dai piedi di piombo" può metterla a rischio di colpo di frusta e sottoporla a una forza all'indietro quando l'auto decolla.

Scendendo la scala dell'urgenza, cercando di ottenere l'ultimo pezzetto di condimento per insalata o ketchup da una bottiglia scuotendolo, iniziando con la rincorsa eventi atletici come il salto in lungo e l'oscillazione continua di una sedia a dondolo dopo aver smesso di provare a dondolare rappresentano tutti esempilegge di inerzia, prima legge del moto di Newton, nella vita di tutti i giorni.

A livello quotidiano, potresti sentire un amico scherzare sul fatto che "l'inerzia" gli ha impedito di alzarsi dal letto e fare una corsa di 5 miglia quella mattina. Mentre tale indolenza perdonabile non è tecnicamente un esempio formale di inerzia nel mondo della fisica, questo tipo di chiacchiere spensierate sulla propria presunta somiglianza con un bradipo è tuttavia illustrativo di uno dei concetti più importanti in tutte le discipline applicate fisica.

Il principio di inerzia descrivela tendenza di un oggetto a rimanere in uno stato di quiete o rimanere in movimento a velocità costante.È quindi una misura della resistenza di un oggetto a cambiare il suo stato, sia esso un corpo in movimento o qualcosa seduto su un tavolo. Se un oggetto ha più inerzia, richiede più lavoro per cambiare il suo stato, sia esso a riposo oa velocità costante. Di conseguenza, gli oggetti con meno inerzia sono in stati più facili da cambiare.

Uno dei motivi per cui l'aspetto della "velocità costante" potrebbe non essere intuitivo è l'esistenza dell'attrito. Quando lanci un pallone lungo un campo, rimbalza e alla fine si ferma a causa dell'attrito del tappeto erboso. Ma se il campo di gioco potesse essere reso privo di attrito, la palla continuerebbe ad andare per sempre a una velocità costante a meno che non venga fermata da una forza esterna. (Inutile dire che questo stato di cose influenzerebbe sicuramente anche le regole di gioco dei giochi con la palla – e tutto il resto – sulla Terra.)

• A volte vedrai la legge di inerzia menzionata con il termine "velocità costante" invece di "velocità costante". Sebbene sia vero, questo non è abbastanza descrittivo; la velocità è solo una grandezza (valore numerico), mentre la velocità è una grandezza vettoriale e quindi include anche la direzione (x, y, z).

Isaac Newton (1642-1726) rimane il possessore di uno degli intelletti più straordinari della storia umana, avendo in effetti assemblato la disciplina matematica del calcolo da zero e contribuendo alla conoscenza del moto dei corpi che ispirò Galileo Galilei, grande architetto di idee astrofisiche a pieno titolo, e innumerevoli altri.

La prima legge di Newton è talvolta chiamata legge dell'inerzia perché descrive questa tendenza di un oggetto come dipendente dalla presenza o assenza di una forza esterna. Senza forza netta su un oggetto, il suo movimento non cambierà. In quanto tale, questa legge non contribuisce alle equazioni dei moti sviluppate anche da Newton, forse aiutando a spiegare perché alcuni studenti non la conoscono.

​Seconda legge di Newtontonpropone che le forze agiscano per accelerare le masse, o matematicamente,

Questa legge mette in relazione la forza netta in un sistema, inclusa la direzione, alla massa e al movimento delle sue particelle. Per calcolare la forza netta, prendi semplicemente la somma vettoriale di tutte le forze che agiscono sull'oggetto. Infine, la terza legge di Newton afferma che per ogni forza esiste una forza uguale e contraria in natura - la "reazione uguale e contraria" a volte applicata anche scherzosamente ma significativamente nel quotidiano linguaggio.

Il progetto di base di tutta la fisica è comprendere il movimento degli oggetti, inclusi molti che l'occhio umano non può vedere e le particelle la cui esistenza potrebbe essere poco più di un'idea giocosa. Le applicazioni reali della legge di inerzia includono la progettazione di dispositivi di sicurezza per veicoli, inclusi ma non limitati al sedile cinture, che possono fornire una forza esterna per fermare il movimento di un corpo in caso di un improvviso cambiamento nella fisica dell'immediato ambiente.

L'inerzia di un oggetto ha anche usi interessanti nei viaggi spaziali. Ad esempio, una volta che un dispositivo sfugge alla gravità terrestre, continuerà sulla sua traiettoria data fino a quando non incontra un altro campo o oggetto gravitazionale. Le sonde spaziali possono essere inviate a grandi distanze senza alcun carburante aggiuntivo richiesto oltre a quello necessario per "fuggire" dalla Terra, attuare piccoli cambiamenti di navigazione o atterrare su un altro oggetto.

Come discusso in precedenza, gli oggetti messi in movimento sulla Terra non sembrano immediatamente "intenzionati" a continuare a velocità costante a causa della forza di attrito esterna. Perché l'attrito è praticamente ovunque (anche l'aria ne impone una grande quantità a velocità più elevate) e rallenta costantemente oggetti verso il basso a meno che non vengano continuamente aggiunte forze aggiuntive per combatterlo, l'ampiezza assoluta della legge di inerzia non è intuitivo.

A volte chiamata inerzia rotazionale, lamomento d'inerziaè l'analogo angolare dell'inerzia. È una proprietà di un corpo che dipende dalla massa, dal raggio e dall'asse di rotazione del corpo. Inerziaiosta al movimento rotatorio ciò che la massa sta al movimento lineare, ma sebbene inerzia e massa siano analoghe, l'inerzia ha unità di massa per il quadrato della distanza (ad esempio, kg⋅m²).

Questa quantità descrive quanto sia difficile o facile cambiare la rotazione di un oggetto, incluso farlo iniziare a ruotare o fermarlo quando sta già ruotando.

Inoltre, mentre l'energia cinetica lineare è espressa come

l'energia cinetica rotazionale è data da

dove rappresentavelocità angolarein radianti al secondo.

È importante riconoscere che il concetto di inerzia non avrebbe senso senza il ricorso a sistemi di riferimento, oppuretelai inerziali. Un frame inerziale è uno che può essere trattato come stazionario in modo che ad altri oggetti nel frame possano essere assegnati valori significativi perv​, ​un​, ​re così via. È un quadro in cui si applicano quindi le leggi di Newton. Un sistema di coordinate della griglia è solitamente sovrapposto a una parte di questa cornice, che spesso è la Terra stessa.

Mentre la Terra, per tutti gli scopi pratici, è "fissa" in relazione alla maggior parte delle attività umane quotidiane, esperimenti accurati possono dimostrare che i dati fisici raccolti in un laboratorio in un dato la posizione differisce leggermente nel tempo grazie alla rotazione della Terra insieme alla sua rivoluzione attorno al sole, al movimento di traslazione attraverso la stessa Via Lattea e quindi sopra.

Anche l'esperienza personale sembra presentare violazioni della legge d'inerzia. In quasi tutti i casi, questo malinteso nasce dal trattare inconsapevolmente un sistema di riferimento come inerziale quando non lo è. Ad esempio, se sei su una giostra in movimento, specialmente una con un'elevata velocità angolare, ti senti come se fossi accelerato lateralmente in ogni momento, piuttosto che sentire che il tuo corpo "vuole" continuare a muoversi in linea retta tangente al bordo del giostra.