L’ opera di Newton

Isaac Newton (1642-1727), scienziato inglese, fu colui che sviluppò la Meccanica, e più precisamente una delle sue tre branche, ovvero la dinamica (le altre due sono la statica e la cinematica).

Scopo della dinamica è di studiare il movimento in relazione alle cause che lo provocano; cioè di determinare il moto di un corpo (o di un sistema di corpi) quando siano note le forze che su di esso agiscono.

In relazione agli esperimenti e alle analisi di precedenti ricercatori e in particolare dei Galileo, Newton riuscì a sintetizzare, nella sua opera Philosophiae Naturalis Principia Matematica, una descrizione completa della dinamica dei corpi in moto.

Primo principio di Newton o principio di inerzia

Prima di Galileo e di Newton si pensava che lo “stato naturale” di un corpo (un corpo, cioè, non soggetto a interazioni con altri corpi) fosse quello di quiete e che un corpo in movimento con velocità costante richiedesse opportune interazioni con altri corpi.

Una tale idea, in effetti, può sembrare suggerita dall’esperienza di tutti i giorni: ad esempio, per spostare una cassa su un pavimento con velocità costante, si deve applicare costantemente una forza alla cassa.

Già Aristotele (384-322 a.C.) sulla base di fatti simili al precedente che per fare muovere un corpo con velocità costante è necessaria una forza costante; un tale punto di vista fu universalmente accettato finchè Galileo, e successivamente Newton, sulla base dei risultati ottenuti da una serie di esperimenti eseguiti sul movimento di corpi sferici su superfici piane accuratamente levigate, enunciarono il seguente postulato: Un corpo persevera nel propprio stato di quiete o di moto rettilineo uniforme finche non agisce su esso una qualche causa esterna. E più precisamente un corpo sottoposto ad un equilibrio di forze permane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme.

La proprietà che ha un corpo di non variare la propria velocità, se non sotto l’azione di forze agenti dall’esterno su esso, fu chiamata da Newton inerzia ed è per questo che il postulato precedente è noto come principio di inerzia oltre che come primo principio di Newton.

In realtà, il principio d’inerzia è una considerazione sui sistemi di riferimento.

Esso infatti definisce l’importanza dell’osservatore inerziale: se una particella non è soggetta a forze, esiste un osservatore inerziale rispetto al quale la particella si muove di moto rettilineo uniforme. Ciò che si vuole sottolineare è che non ha senso descrivere un moto senza definire rispetto a cosa.

Va osservato che il principio di inerzia include due possibilità: infatti , un corpo si muove con velocità costante o quando non è soggetto a forze o quando è soggetto a forze i cui effetti si annullano reciprocamente: così, un corpo posato con velocità nulla su un piano orizzontale resta in quiete perché la forza peso del corpo è equilibrata dalla forza di reazione sviluppata dal piano di appoggio.

Nel moto rettilineo uniforme poiché la velocità è costante si ha che la distanza percorsa è direttamente proporzionale al tempo.

Secondo principio di Newton o legge fondamentale della dinamica

Se un corpo di massa M si muove di moto accelerato rispetto a un sistema di riferimento inerziale e a un certo istante la sua accelerazione è a, si dice che il corpo è soggetto alla forza:

Nel sistema internazionale l’unita di misura dell’intensità di una forza è un’unità derivata: dalla relazione F = Ma tra i moduli della forza e della accelerazione, segue che 1 unità di misura della forza = 1 unità di misura della massa * 1 unità di misura dell’accellerazione. Nel sistema internazionale l’unità di misura (dell’intensità) delle forze è 1 newton:

Il newton (1N) è l’intensità di una forza che agendo su un corpo di massa 1Kg gli imprime un’accelerazione di modulo 1 m/s².

Se in un corpo si hanno diverse forze applicate, la forza risultante agente su quel corpo è la somma vettoriale delle singole forze esercitate sul corpo dai diversi sistemi materiali che interagiscono con esso.

La relazione esistente tra la forza risultante F, l’accelerazione a e la massa M è dunque

formula che traduce il seguente Secondo principio di Newton:

In un sistema di riferimento inerziale, l’accelerazione di un punto materiale è direttamente proporzionale alla forza risultante agente su esso e inversamente proporzionale alla massa del punto materiale.

Il principio di conservazione dell’energia

Il termine energia non veniva assolutamente preso in considerazione da Newton, infatti questo termine fu usato per la prima volta da Thomas Young nel 1807.

Negli anni tra i1 1830 e il 1850, scienziati come Carnot, Faraday, Clausius, Joule, Helmholtz e Kelvin cercarono di chiarire il ruolo fondamentale dell’energia e a formulare il teorema fondamentale della conservazione dell’energia, alla base del primo principio della termodinamica.

Non si può dire a chi attribuire questa scoperta, ma nel diario di Carnet si legge che “… il lavoro meccanico è una quantità naturale, invariante e che più correttamente non è mai prodotto né distrutto”.

Il principio di conservazione dell’energia afferma che l’energia non si può ne creare ne distruggere ma solo trasformare da una forma all’altra; quindi in parole povere l’energia che c’è c’è , quella che non c’è non c’è e non la si può inventare.

Non è infatti possibile generare energia e quando si dice “produzione di energia” si può solamente intendere il processo di trasformazione da energia esistente a energia utile agli scopi dell’umanità.

Il concetto di energia è strettamente legato all’idea di lavoro. Taluni modi di dire che ci suonano familiari perché ci accompagnano da sempre( “fai un buon pasto e avrai energia”…”chi ha energia fa molto lavoro”)rispondono in effetti a sicuri principi scientifici.

Se si applica una forza ad un oggetto e lo si muove per una certa distanza, si afferma che si è compiuto un lavoro. Se si sollecita un oggetto qualsiasi, lungo una superficie che fa resistenza, con una forza che vince l’attrito e sposta l’oggetto in questione lungo una distanza, si esegue un lavoro.

Il lavoro L fatto da una forza F costante quando il suo punto di applicazione subisce uno spostamento x è il prodotto scalare tra la forza e lo spostamento

La relazione precedente può scriversi anche nella forma

dove q indica l’angolo tra forza e spostamento.

La forza verticale che mantiene un corpo a distanza fissa dal suolo, quindi, non produce lavoro, poiché q=90° e, quindi, cosq=0.

Invece, quando una forza orizzontale trascina orizzontalmente un corpo, o quando una forza verticale lo spinge verticalmente, il lavoro fatto è massimo, poiché q=0 e cosq=1.

Supponiamo, infatti, di avere una forza costante che spinge un corpo M; sappiamo che viene erogata energia che risulta essere:

Il lavoro L fatto da una forza F variabile, cioè quando il suo punto di applicazione si sposta dalla posizione P1 a quella P2 lungo una curva è dato da:

dove l’integrale è calcolato lungo la curva.

L’unità di misura del lavoro è il prodotto dell’unità di misura dell’intensità della forza con l’unità di misura della lunghezza. Nel Sistema Internazionale l’unità di misura del lavoro e il joule(J):

La potenza

Partiamo ad analizzare la potenza da un semplice esempio.

Un uomo che debba portare una valigia a un quinto piano può prenderla in mano e lentamente portarla su per le scale; oppure può metterla nell’ascensore che rapidamente la porterà a destinazione.

In entrambi i casi il lavoro compiuto -una volta dall’uomo e una volta dal motore dell’ascensore- è il medesimo: precisamente esso, è in entrambi i casi, dato dal prodotto del peso della valigia per l’altezza a cui si trova il quinto piano.

Per quanto, però, il lavoro fatto dall’uomo o dal motore dell’ascensore sia lo stesso, pure tra i due modi di compiere questo lavoro vi è una differenza sostanziale: l’uomo lo compie lentamente, l’ascensore lo compie rapidamente:si dice che il motore dell’ascensore è più potente dell’uomo.

Per esprimere quanto è potente un uomo o un motore, si deve dire quanto tempo esso impiega a compere un dato lavoro: in generale si chiama potenza sviluppata in un lavoro il rapporto tra il lavoro compiuto e il tempo impiegato a compierlo.

La potenza si indica con la lettera P

Da questa definizione di potenza segue che nel Sistema Internazionale l’unita di potenza è quella che si sviluppa quando si esegue in 1 secondo il lavoro di 1 joule: questa unità di potenza si chiama watt (W) in onore del fisico inglese J. Watt (1736-1819): dunque

Un multiplo molto usato del watt è il kilowatt (kW); 1 kW equivale a 1000 W.

Per dare un’idea degli ordini di grandezza, diciamo che il cuore umano sviluppa una potenza di 2,25 W, che un cavallo robusto può sviluppare una potenza di circa 740 W…..

La potenza del cavallo fu misurata, in una serie di esperienze, da quel fisico inglese Watt il cui nome è stato poi dato all’unità di potenza del Sistema Internazionale. Ed egli assunse questa potenza del cavallo come unità per misurare la potenza di una pompa a vapore che aveva egli stesso costruito; e la chiamò “horse-power” dalle due parole inglesi “horse”(=cavallo) e “power”(=potenza); fu poi abbreviata con le due iniziali HP.

In italiano l’espressione inglese sopra citata è stata tradotta con “cavallo-vapore”(e abbreviata in CV). Il cavallo-vapore ha un valore leggermente inferiore all’horse-power inglese: sono entrambi multipli del watt e precisamente 1CV = 735 W e 1HP = 746 w.

Possiamo distinguere tra potenza disponibile e potenza istantanea; la potenza disponibile, che una macchina fornisce, è costante nel tempo, mentre la potenza istantanea cresce linearmente con il tempo.

C’è un istante in cui la potenza disponibile viene raggiunta: dopo questo istante, l’accelerazione della macchina cessa.

Il primo principio della termodinamica

Un tempo si pensava che il calore fosse un fluido e precisamente veniva chiamato “calorico”.

Cosa succedeva?

Un corpo A che era inzuppato di calorico(acqua calda) per il semplice contatto con un corpo B trasmetteva a quest’ultimo appunto il fluido calorico e così in B si avvertiva la sensazione termica che appena prima si avvertiva solo in A.

Questo è successo da Aristotele fino a metà dell’800 quando diversi scienziati si rendono conto che il calore è energia.

La termodinamica si occupa degli scambi di energia meccanica (lavoro) e di calore fra i corpi e quelli che li circondano; in particolare, studia le trasformazioni di calore in lavoro che hanno luogo in tutti i motori termici (macchina a vapore, motori a scoppio, motori a reazione, ecc..). ciascuno di questi non è pero che un esempio molto particolare di sistema termodinamico, la cui definizione è estremamente generale; infatti si chiama sistema termodinamico qualsiasi corpo o sistemi di corpi il cui comportamento può essere studiato dal punto di vista degli scambi di lavoro e di calore sia fra le diverse parti del sistema, che fra queste e altri corpi (vicini o lontani) che non appartengono al sistema ma costituiscono l’ambiente che lo circonda.

Calore ed energia possono convertirsi l’una nell’altra secondo la formula sperimentale nota come Equivalente meccanico del calore, la quale afferma che per innalzare di un grado centigrado (da 14,5°C a 15,5°C) la temperatura di un chilogrammo (Kg) d’acqua, occorrono sempre 4187 J di lavoro, che equivale ad una quantità di calore definita con una chilocaloria (Kcal).

Ciò si è scoperto grazie ad uno strumento molto importante chiamato calorimetro.

L’esperienza effettuata con questo strumento è detta a anche esperienza di Juole.

L'apparecchio usato da Joule è mostrato nella figura. Un recipiente cilindrico O (a pareti isolanti) contiene una massa m nota di acqua, nella quale sono immersi un termometro e un mulinello ad asse verticale; per aumentare l'attrito offerto dall'acqua alla rotazione del mulinello, Joule fissò alle pareti del recipiente alcune palette, alternate con quelle del mulinello. L'asse del mulinello è prolungato superiormente in un rullo S, sul quale sono avvolti, in versi opposti, due fili tenuti in tensione per mezzo di due pesi P e P’, ciascuno di massa M. Questi, lasciati liberi, scendono sotto l'azione della gravità., mettendo cosi in moto il mulinello. Il lavoro fatto quando entrambi i pesi sono scesi di un tratto h, pari a 2Mgh, è speso, per la massima parte, per vincere l'attrito opposto dall'acqua al moto del mulinello; una parte serve però a vincere altri attriti, esterni al recipiente, e a fornire l'energia cinetica con 'cui i pesi giungono alla fine della discesa. Detraendo da W = 2Mgh queste energie perse agli effetti del riscaldamento dell'acqua, si ricava il lavoro We impiegato per vincere gli attriti nell'interno del recipiente C. Per avere un aumento apprezzabile t2-tl della temperatura dell'acqua, è necessario riportare i pesi P e P' in alto e farli discendere più volte consecutive.

La seconda parte dell'esperienza, cioè la misura di Q non è in realtà necessaria. Infatti, se m è la massa dell'acqua contenuta nel recipiente C e Dt = t2- tl l'aumento della sua temperatura provocato dal lavoro We nell'apparecchio della figura, dalla definizione di caloria segue che la quantità di calore necessaria a produrre questo stesso riscaldamento è pari a m(t2- t1). Per ottenere tutto il calore Q da introdurre è necessario aggiungere il calore che è servito a riscaldare il recipiente, il termometro e il mulinello che vi sono immersi.

Si giunse, inoltre, a formulare l’equazione che fornisce la temperatura di una massa d’acqua, risultante dall’unione di due masse d’acqua a diversa temperatura :

Esistono due diverse classi di sistemi termodinamici:

1)Sistema aperto: è una regione di spazio localizzata da una ben determinata superficie(pelle), che, nel tempo, resta inalterata.

Questa regione di spazio è però in contatto con l’esterno(pelle con pori), quindi può avvenire dello scambio di materia e di energia con l’ambiente circostante.

Al suo interno, la massa contenuta può di conseguenza variare, ma può anche rimanere costante se la quantità che esce è uguale a quella che entra.

2)Sistema chiuso : in questo sistema, a essere ben determinata e definita è la quantità di materia, che può cambiare forma nello spazio e nel tempo.

Quindi la massa è costante e a differenza del sistema aperto la pelle è impermeabile alla materia, ma non all’energia; il ciò vuol dire che non è possibile che avvenga uno scambio di materia, mentre è possibile che avvenga uno scambio di energia.

Alla base della termodinamica dei sistemi chiusi vi è il Primo principio della termodinamica:

in una qualsiasi trasformazione di un sistema termodinamico, la quantità di calore scambiata con l’esterno dal sistema è uguale alla somma della variazione di energia interna del sistema e del lavoro da esso compiuto.

Se ad un sistema viene fornito calore, avviene una relazione tale che modifica il suo stato fisico.

Lo stato fisico di un sistema è definito come la collezione di un numero sufficiente di informazioni numeriche atte a descrivere completamente le caratteristiche di tutti i punti all’interno del sistema.

Le informazioni numeriche di un sistema omogeneo e in equilibrio, infatti, valgono per tutti i punti del sistema. Se ad esempio in un sistema ho parti liquide e parti gassose il sistema non è omogeneo.

In un sistema omogeneo e in equilibrio le variabili indipendenti che definiscono lo stato fisico di un sistema sono due: ad esempio la coppia P-v , dove P indica la pressione e v indica il volume specifico(che rappresenta l’inverso della densità: densità acqua = 1000 Kg/m³; volume specifico acqua = 0,001 m³/Kg).

Quando un sistema passa da uno stato fisico 1 a uno stato fisico 2 avrà ricevuto del calore e produrrà del lavoro.

Ma passando dallo stato fisico 1 allo stato fisico 2 si ha che

L’energia, infatti, è una funzione di stato, cioè è una grandezza fisica il cui valore numerico dipende solo dallo stato fisico e non dal cammino percorso per arrivarci.

Si ha quindi che:

Questa equazione esprime il primo principio della termodinamica, che viene assunto come postulato basato sull’esperienza.

Il significato vero di questo postulato è che se ho un determinato sistema fatto composto da una certa pelle che contiene una sostanza, dandogli dell’energia, quella rimane intrappolata nel sistema, ma lo stesso sistema si libererà della stessa energia: si può parlare quindi di conservazione dell’energia, che è il significato profondo del primo principio.

Il problema energetico

Da qualche anno a questa parte, anche a livello di informazione radio-televisiva e giornalistica, ha assunto grande rilievo il problema energetico, problema che, in poche parole, può essere così definito.

L 'incremento demografico medio attuale, su scala mondiale, ha un tasso di crescita leggermente superiore al 2%. In tale situazione la popolazione del pianeta raddoppia circa ogni 35 anni: ciò significa che verso l'anno 2025 vi saranno 12 miliardi di persone, nel 2060 ve ne saranno 24 miliardi, e così via. Per poter assicurare a ciascuno cibo sufficiente, riscaldamento, illuminazione, beni di consumo e tutto ciò che garantisce un tenore di vita discreto, è necessario avere a disposizione sempre maggiori quantità di energia. Si è calcolato che, per conseguire questo traguardo, l'incremento energetico annuo, su base mondiale, dovrà essere compreso tra il 10% e il 15%.

Come è noto, però, le risorse energetiche della Terra non sono illimitate. Gran parte dell'energia utilizzata proviene dai combustibili fossili ( carbone, petrolio, metano, ecc. ), i quali, essendosi formati nella crosta terrestre nel corso di milioni di anni, rappresentano fonti non più rinnovabili. Per quanti anni ancora potremo attingere a tali riserve? Non è possibile fare stime precise; si tratta comunque di qualche decennio. E poi? Ecco dunque la necessità di reperire nuove fonti di energia. Chi vuole il nucleare, chi non lo vuole; chi pensa di risolvere il problema con le cosiddette fonti alternative ( energia solare, energia eolica, energia geotermica, maree, ecc. ); chi ritiene del tutto insufficiente tale soluzione, e così via.

Insomma, anche tra gli addetti ai lavori, i pareri in merito al problema energetico sono spesso contrastanti. Su un punto, però, tutti sono d'accordo: il problema esiste e dovrà essere risolto in un lasso di tempo abbastanza breve, naturalmente nel rispetto della natura. Sì, perchè ogni processo di trasformazione, sia della materia che dell'energia, implica la produzione di scorie, cioè di prodotti di scarto, i quali, inevitabilmente, vanno ad interferire con i processi biologici, vegetali e animali, compromettendo così gli equilibri millenari sui quali si basa ogni forma di vita sul nostro pianeta.

Non si può parlare di energia senza discutere, anche, l’effetto serra, a causa del quale la temperatura media della terra sta salendo pericolosamente.

La principale causa dell’effetto serra è l’emissione di CO₂ e di altri gas a effetto serra, i quali non possono uscire dalla terra essendo assorbiti dall’atmosfera, che si riscalda.