Il principio di inerzia e la legge di Newton

Una delle prime vere difficoltà che si incontrano nello studio della Fisica consiste nell'impadronirsi del Principio di Inerzia di Galileo. Il nostro cervello sembra contenere un modulo di fisica nel quale il concetto di quiete e quello di “assenza di forze” sono inestricabilmente legati. Sciogliere questo legame e stabilire quello, molto più fecondo, fra “assenza di forze” e “costanza della velocità” è lo scopo di questo percorso didattico. Una volta stabilito questo vincolo, è naturale ipotizzare e verificare che la forza applicata a un corpo e la sua accelerazione sono proporzionali.
Una possibile “scaletta” di argomenti ed esperienze da presentare è la seguente:

• Una prima visita in laboratorio per verificare il funzionamento della Rotaia a cuscino d'aria ed eventualmente del Piano senza attrito servirà per dare una nozione intuitiva del fatto che, se si smorzano gli attriti sufficientemente, il moto di un corpo su una traiettoria orizzontale non accenna a fermarsi. Potrebbe essere opportuno soffermarsi sul concetto di velocità media e tentare una sua misura grossolana con un metro a fettuccia e un cronometro manuale. Bisogna riflettere a questo livello sul fatto che, più che di assenza di forze, è opportuno parlare di annullamento della risultante delle forze che agiscono su un corpo.
• L'esperienza sul moto rettilineo uniforme sulla rotaia a cuscino d'aria sarà utile per verificare la costanza della velocità media e la sua identità con la velocità istantanea in assenza di forze (meglio, dove la forza risultante sia nulla).
• Nell'esperienza precedente le forze che si annullano fra di loro sono perpendicolari alla direzione del moto. Lo studio del moto di un corpo leggero soggetto alla forza di gravità e alla resistenza dell'aria permette di concludere che anche nel moto verticale, se la forza di gravità è equilibrata il moto risulta uniforme. Queste due esperienze dovrebbero essere sufficienti a formulare senza ambiguità il principio di Galileo.
• La riflessione sull'influenza della resistenza dell'aria nel moto dei corpi in caduta dovrebbe suscitare il sospetto che in assenza di forze dissipative il moto di caduta dei gravi potrebbe essere indipendente dal peso. La semplice esperienza qualitativa del Tubo di Newton confermerà la validità di questa intuizione.
• Rimane da capire in che modo le forze sono collegate con lo stato di moto di un corpo. L'esperienza del Macchina di Flechter servirà a verificare che, almeno per moti in cui la forza ha la stessa direzione della velocità, accelerazione e forza applicata sono proporzionali fra loro.

• moto rettilineo uniforme sulla rotaia a cuscino d'aria
• Moto di caduta di un grave soggetto alla resistenza dell'aria
• Moto di caduta nel vuoto
• moto uniformemente accelerato sulla rotaia a cuscino d'aria - Macchina di Flechter

• Filmato PSSC: Inerzia e Moto. Ottima illustrazione del primo e del secondo principio della dinamica.
• Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, Galileo Galilei, 1632, dove si trova la prima formulazione del principio di inerzia.