Le tre leggi del moto di Isaac Newton descrivono il moto dei corpi massicci e la loro interazione. Mentre oggi le leggi di Newton possono sembrarci ovvie, più di tre secoli fa erano considerate rivoluzionarie.
Newton fu uno degli scienziati più influenti di tutti i tempi. Le sue idee divennero la base della fisica moderna. Si basò sulle idee emerse dalle opere di scienziati precedenti, tra cui Galileo e Aristotele, e fu in grado di dimostrare alcune idee che in passato erano state solo teorie. Studiò l’ottica, l’astronomia e la matematica – inventò il calcolo. (Il matematico tedesco Gottfried Leibniz è anche accreditato per averlo sviluppato indipendentemente più o meno nello stesso periodo).
Newton è forse meglio conosciuto per il suo lavoro nello studio della gravità e del moto dei pianeti. Sollecitato dall’astronomo Edmond Halley dopo aver ammesso di aver perso la sua prova delle orbite ellittiche qualche anno prima, Newton pubblicò le sue leggi nel 1687, nella sua opera seminale “Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica” (Principi matematici di filosofia naturale) in cui formalizzò la descrizione di come i corpi massicci si muovono sotto l’influenza di forze esterne.
Nella formulazione delle sue tre leggi, Newton semplificò il trattamento dei corpi massicci considerandoli come punti matematici senza dimensioni o rotazione. Questo gli permise di ignorare fattori come l’attrito, la resistenza dell’aria, la temperatura, le proprietà dei materiali, ecc. e di concentrarsi su fenomeni che possono essere descritti esclusivamente in termini di massa, lunghezza e tempo. Di conseguenza, le tre leggi non possono essere usate per descrivere con precisione il comportamento di grandi oggetti rigidi o deformabili; tuttavia, in molti casi esse forniscono approssimazioni sufficientemente accurate.
Le leggi di Newton riguardano il moto di corpi massicci in un quadro di riferimento inerziale, talvolta chiamato quadro di riferimento newtoniano, sebbene Newton stesso non abbia mai descritto un tale quadro di riferimento. Un quadro di riferimento inerziale può essere descritto come un sistema di coordinate tridimensionale che è fermo o in moto lineare uniforme, cioè non è in accelerazione o in rotazione. Egli trovò che il moto all’interno di un tale quadro di riferimento inerziale poteva essere descritto da tre semplici leggi.
La prima legge del moto afferma: “Un corpo a riposo rimarrà a riposo, e un corpo in movimento rimarrà in movimento a meno che non sia agito da una forza esterna”. Questo significa semplicemente che le cose non possono partire, fermarsi o cambiare direzione da sole. Ci vuole una forza che agisca su di loro dall’esterno per causare un tale cambiamento. Questa proprietà dei corpi massicci di resistere ai cambiamenti nel loro stato di moto è talvolta chiamata inerzia.
La seconda legge del moto descrive cosa succede a un corpo massiccio quando è sollecitato da una forza esterna. Essa afferma: “La forza che agisce su un oggetto è uguale alla massa di quell’oggetto per la sua accelerazione”. Questo è scritto in forma matematica come F = ma, dove F è la forza, m è la massa e a è l’accelerazione. Le lettere in grassetto indicano che la forza e l’accelerazione sono quantità vettoriali, il che significa che hanno sia grandezza che direzione. La forza può essere una singola forza, o può essere la somma vettoriale di più di una forza, che è la forza netta dopo che tutte le forze sono combinate.
Quando una forza costante agisce su un corpo massiccio, lo fa accelerare, cioè cambiare la sua velocità, ad un tasso costante. Nel caso più semplice, una forza applicata ad un oggetto a riposo lo fa accelerare nella direzione della forza. Tuttavia, se l’oggetto è già in movimento, o se questa situazione è vista da un quadro di riferimento in movimento, quel corpo potrebbe sembrare accelerare, rallentare o cambiare direzione a seconda della direzione della forza e delle direzioni in cui l’oggetto e il quadro di riferimento si muovono l’uno rispetto all’altro.
La terza legge del moto afferma: “Per ogni azione c’è una reazione uguale e contraria”. Questa legge descrive cosa succede a un corpo quando esercita una forza su un altro corpo. Le forze avvengono sempre in coppia, quindi quando un corpo spinge contro un altro, il secondo corpo spinge indietro con la stessa forza. Per esempio, quando spingi un carrello, il carrello spinge indietro contro di te; quando tiri una corda, la corda tira indietro contro di te; quando la gravità ti tira giù contro il terreno, il terreno spinge in alto contro i tuoi piedi; e quando un razzo accende il suo carburante dietro di sé, il gas di scarico in espansione spinge sul razzo facendolo accelerare.
Se un oggetto è molto, molto più massiccio dell’altro, in particolare nel caso in cui il primo oggetto è ancorato alla Terra, praticamente tutta l’accelerazione è impartita al secondo oggetto, e l’accelerazione del primo oggetto può essere tranquillamente ignorata. Per esempio, se tu lanciassi una palla da baseball verso ovest, non dovresti considerare che hai effettivamente causato un’accelerazione della rotazione della Terra mentre la palla era in aria. Tuttavia, se foste in piedi sui pattini a rotelle, e lanciaste una palla da bowling in avanti, comincereste a muovervi all’indietro ad una velocità notevole.
Le tre leggi sono state verificate da innumerevoli esperimenti nel corso degli ultimi tre secoli, e ancora oggi vengono ampiamente utilizzate per descrivere i tipi di oggetti e le velocità che incontriamo nella vita quotidiana. Esse costituiscono il fondamento di quella che oggi è conosciuta come meccanica classica, che è lo studio di oggetti massicci che sono più grandi delle scale molto piccole affrontate dalla meccanica quantistica e che si muovono più lentamente delle velocità molto elevate affrontate dalla meccanica relativistica.