Dinamica

Perché quando spingiamo un oggetto, questo si muove? E perché quando spingiamo una palla lungo una salita questa torna indietro? Questi sono tutti effetti delle forze che agiscono su un oggetto e la dinamica è la materia che studia gli effetti delle forze sul moto degli oggetti. Vediamolo insieme!

Dinamica: definizione

Se la cinematica è lo studio del moto di un oggetto, la dinamica studia le cause del moto. In particolare, la dinamica cerca di legare gli effetti delle forze sugli oggetti e come queste causino il moto che si studia con le leggi affrontate nella cinematica.

La dinamica quindi si occupa di prendere una determinata situazione fisica che interessa uno o più oggetti, considerare le forze in gioco e le interazioni tra gli ogetti e descriverne il moto a partire da questa analisi.

Forza

Come abbiamo detto, il concetto di forza è estremamente importante, poiché è la causa del moto che poi viene osservato. Vediamo anzitutto cos'è una forza:

Quindi la forza può essere definita come una "spinta" o un'attrazione che agisce su un oggetto. La forza può mettere un oggetto in moto, oppure può fermarlo da uno stato di moto. Nell'articolo sulla forza vedremo che si tratta di una grandezza vettoriale, perciò direzione, verso e intensità sono tutte quantità importanti per comprendere una forza.

Principi della dinamica

La dinamica si basa su tre importanti leggi fisiche descritte per la prima volta da Isaac Newton nel Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Questi tre principi chiamati principi della dinamica o leggi di Newton legano cause ed effetti del moto.

Fig. 1 - Ritratto di Isaac Newton

Primo principio della dinamica

Il primo principio della dinamica recita:

Un corpo fermo o in equilibrio, rimarrà fermo o si muoverà di moto rettilineo uniforme finché una forza esterna non agisce, alterando questo stato.

Questo principio descrive quella che nel quotidiano chiamiamo inerzia, ovvero se un oggetto è fermo, per metterlo in moto dobbiamo spingerlo, mentre se è in moto, per fermarlo, doppiamo metterci della forza. Inoltre, se non agiamo attivamente con una forza sull'oggetto, questi rimarrà nel suo stato: se è fermo, rimarrà fermo, se si muove, deve necessariamente muoversi di moto rettilineo uniforme (poiché gli altri tipi di moto richiedono l'applicazione di una forza).

Secondo principio della dinamica

Come abbiamo detto, per imporre ad un oggetto un'accelerazione, è necessario esercitare una forza. Il secondo principio della dinamica dice esattamente questo:

Una forza applicata ad un corpo provoca un'accelerazione del corpo nella direzione della forza. Questa accelerazione è direttamente proporzionale alla forza applicata e inversamente proporzionale alla massa del corpo.

In termini matematici, questo può essere riscritto come una delle equazioni più famose e conosciute di sempre:

\[\vec{F} = m\vec{a}\]

Terzo principio della dinamica

Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e opposta.

Non è solo un detto popolare, ma anche un'importante legge della fisica. Questo principio ci dice che quando spingiamo un oggetto, a nostra volta veniamo spinti indietro dall'oggetto. È il motivo per cui non sprofondiamo nel pavimento sotto il nostro peso: noi impartiamo una forza (il peso) al pavimento e il pavimento, di contro, ci "spinge" in alto.

Energia e lavoro

Anche energia e lavoro sono argomenti di studio della dinamica, tuttavia, vista l'importanza dell'argomento, verranno trattati in una loro sezione apposita. Negli articoli su energia e lavoro si va più a fondo nei concetti di energia cinetica, potenziale, del lavoro di una forza, della potenza fisica e di molte altre importanti grandezze fisiche!

Dinamica: alcune applicazioni

Negli articoli dedicati alla dinamica troverete tante applicazioni e sistemi che vengono studiati dalla dinamica. Qui presentiamo due dei più importanti con una breve descrizione, rimandando agli articoli dedicati per la trattazione completa.

Oscillatore armonico semplice

L'oscillatore armonico è uno dei più potenti modelli fisici a nostra disposizione. L'idea è quella di un corpo collegato ad una molla e libero di oscillare attorno all'equilibrio.

Fig. 2 - Una massa attaccata ad una molla libera di oscillare è un tipo di oscillatore armonico.

Questo semplice modello è in realtà un'ottima approssimazione per una buona parte di fenomeni. Un esempio di causa del moto armonico di un oscillatore armonico semplice è la legge di Hooke, che vedremo valere

\[\vec{F} = -k \vec{x}\]

questa equazione lega la forza di ritorno che agisce sulla massa ad una costante elestica della molla e dipende dallo spostamento della massa.

Pendolo semplice

Il pendolo semplice è un altro esempio di moto periodico. Un pendolo è un peso collegato a un punto fisso e oscilla liberamente sotto la forza di gravità. L'interesse nello studio del pendolo è proprio la sua semplicità.

Fig. 3 - Esempio di moto di un pendolo semplice

Il moto del pendolo semplice è un altro esempio di moto armonico semplice, perché la massa oscilla tra due punti di massimo distanza dal punto di equilibrio.