Introduzione alla fisica sperimentale: meccanica, termodinamica

La disciplina scientifica che tratta del moto in tutti i suoi aspetti prende il nome di meccanica, che viene suddivisa per comodità in tre branche: la cinematica (come descrivere il moto), la dinamica (capirne le cause) e la statica (come eventualmente impedirlo). Ciò che verrà presentato non è il moto di un qualsiasi corpo, bensì di un sistema semplice, il più semplice possibile: il punto materiale. Dicendo punto materiale non ci si intende riferire alle dimensioni dell’oggetto (come per il punto geometrico), ma al fatto che o si sta osservando il corpo da molto lontano relativamente alle sue dimensioni o se ne sta trascurando il moto proprio. I concetti presentati saranno quelli della posizione, della velocità e dell'accelerazione, nonché alcuni esempi di moti tra i più classici e ricorrenti nella vita quotidiana. Dopo aver descritto il moto dal punto di vista della traiettoria percorsa (cinematica scalare), lo si analizzerà come un osservatore esterno (cinematica vettoriale), cambiando prospettiva: il moto è lo stesso, ma descritto diversamente a seconda dell'osservatore.

Dopo aver studiato come descrivere il moto, ora si vuole conoscere quale ne sia la causa, così da sapere come crearlo o, più in generale, come modificarlo; i principi che descrivono la dinamica del punto materiale sono stati analiticamente formulati da Newton, e perciò la meccanica del punto è nota anche come meccanica classica o newtoniana. Il problema generale della dinamica consiste nel determinare il moto del punto materiale una volta noto il suo stato meccanico iniziale (posizione e velocità) e quali siano le forze in gioco. Dopo la presentazione e lo studio dei tre principi della dinamica, vengono presentate alcune delle forze che si incontrano nello studio della fisica, mostrandone l'ambito di applicazione e le loro caratteristiche.

Dall’equazione fondamentale della dinamica del punto materiale (che è espressa in forma puntuale, descrive ciò che avviene in una precisa posizione) possiamo costruire un'espressione in forma integrale, con la quale non interessarci di ciò che avviene nelle posizioni intermedie percorse dal punto, ma studiando direttamente la posizione finale che raggiungerà. Per far questo dobbiamo introdurre il concetto di energia, molto probabilmente il concetto più importante della fisica. Si analizzano poi i sistemi di punti: se per identificare la posizione di un punto servono 3 coordinate, per N punti il numero aumenta considerevolmente nel caso in cui N sia grande (è pari a 3N). Talvolta però è più significativo (e realizzabile) avere una conoscenza complessiva del sistema piuttosto che la conoscenza di ogni singola parte che lo compone. Esempi di applicazione di queste proprietà globali verranno visti studiando i fenomeni degli urti (interazioni brevi e intense tra due punti materiali) e della gravitazione universale (responsabile sia del peso sia del moto dei pianeti nel sistema solare).

Alcuni corpi non si possono pensare come rigidi, in quanto costituiti da moltissime particelle in continuo movimento e la cui forma (e talvolta il volume) è dettata solamente dal recipiente nel quale sono contenuti, come i fluidi (liquidi o gassosi). Poiché i fluidi non hanno forma propria, i principi e le equazioni della meccanica non vengono applicate a singole particelle (per mezzo dei concetti di massa e forza), ma a piccole porzioni di fluido (usando i concetti di densità e pressione). Come per il punto materiale, anche per i fluidi se ne può analizzare la statica (ricordando i principi di Pascal e di Archimede) per poi passare alla dinamica che ne descrive il moto tenendo conto delle forze in gioco (per mezzo della legge di Leonardo e del principio di Bernoulli).