Inerzia - Inertia

L'inerzia è la resistenza di qualsiasi oggetto fisico a qualsiasi cambiamento nella sua velocità . Ciò include le modifiche alla velocità dell'oggetto o alla direzione del movimento. Un aspetto di questa proprietà è la tendenza degli oggetti a continuare a muoversi in linea retta a velocità costante, quando su di essi non agiscono forze .

L'inerzia deriva dalla parola latina, iners , che significa pigro, pigro. L'inerzia è una delle manifestazioni primarie della massa , che è una proprietà quantitativa dei sistemi fisici . Isaac Newton definì l'inerzia come una forza, prima della sua prima legge nella monumentale Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica . Lì si legge:

DEFINIZIONE III. La vis insita , o forza innata della materia, è un potere di resistenza per cui ogni corpo, per quanto in esso giace, si sforza di perseverare nel suo stato presente, sia esso di quiete o di avanzare uniformemente in linea retta.

Dopo alcune altre definizioni, Newton afferma (a pagina 83) la sua prima legge del moto:

LEGGE I. Ogni corpo persevera nel suo stato di quiete, o di moto rettilineo uniforme, a meno che non sia costretto a mutare quello stato da forze impresse su di esso.

Si noti che Newton fa uso della forma verbale attiva "perseverare", piuttosto che altre forme passive come "continuare" o "rimanere", che si trovano comunemente nei libri di testo moderni. Ciò deriva da alcuni cambiamenti nella meccanica originale di Newton (come affermato nei Principia) apportati da Eulero, d'Alembert e altri cartesiani.

Nell'uso comune, il termine "inerzia" può riferirsi alla "quantità di resistenza al cambiamento di velocità" di un oggetto o, in termini più semplici, alla "resistenza a un cambiamento di movimento" (che è quantificato dalla sua massa), o talvolta alla sua quantità di moto. , a seconda del contesto. Il termine "inerzia" è più propriamente inteso come abbreviazione di "principio di inerzia" come descritto da Newton nella sua prima legge del moto , sopra menzionata, secondo la quale un oggetto continuerà a muoversi alla sua velocità attuale finché una forza non causerà la sua velocità. o direzione da cambiare.

Sulla superficie della Terra, l'inerzia è spesso mascherata dalla gravità e dagli effetti dell'attrito e della resistenza dell'aria , che tendono entrambi a diminuire la velocità degli oggetti in movimento (comunemente fino al punto di riposo). Ciò indusse il filosofo Aristotele a credere che gli oggetti si sarebbero mossi solo finché fosse stata applicata una forza su di essi.

Il principio di inerzia è uno dei principi fondamentali della fisica classica che vengono utilizzati ancora oggi per descrivere il moto degli oggetti e come sono influenzati dalle forze applicate su di essi.

Storia e sviluppo del concept

Comprensione precoce del movimento

Il Mozi , che era un antico testo filosofico dalla Cina durante il periodo degli Stati Combattenti , fu il primo a descrivere l'idea di inerzia come riportato nelle scoperte del sinologo Joseph Needham . In Occidente prima del Rinascimento , la teoria del moto più generalmente accettata nella filosofia occidentale era basata su Aristotele che intorno al 335 a.C. al 322 a.C. circa disse che, in assenza di una forza motrice esterna, tutti gli oggetti (sulla Terra) sarebbero venuti a riposo e che gli oggetti in movimento continuano a muoversi solo finché c'è un potere che li induce a farlo. Aristotele ha spiegato il movimento continuo dei proiettili, che sono separati dal loro proiettore, dall'azione del mezzo circostante, che continua a muovere il proiettile in qualche modo. Aristotele concluse che un movimento così violento nel vuoto era impossibile.

Nonostante la sua accettazione generale, il concetto di movimento di Aristotele è stato contestato in diverse occasioni da importanti filosofi per quasi due millenni . Ad esempio, Lucrezio (dopo, presumibilmente, Epicuro ) affermò che lo "stato predefinito" della materia era il movimento, non la stasi. Nel VI secolo, Giovanni Filopono ha criticato l'incoerenza tra la discussione di Aristotele sui proiettili, in cui il mezzo fa andare avanti i proiettili, e la sua discussione sul vuoto, in cui il mezzo ostacolerebbe il movimento di un corpo. Filopono propose che il movimento non fosse mantenuto dall'azione di un mezzo circostante, ma da alcune proprietà impartite all'oggetto quando veniva messo in movimento. Sebbene questo non fosse il concetto moderno di inerzia, poiché c'era ancora bisogno di un potere per mantenere un corpo in movimento, si rivelò un passo fondamentale in quella direzione. Questa visione fu fortemente osteggiata da Averroè e da molti filosofi scolastici che sostennero Aristotele. Tuttavia, questa visione non rimase incontrastata nel mondo islamico , dove Filopono ebbe diversi sostenitori che svilupparono ulteriormente le sue idee.

Nell'XI secolo, l' erudito persiano Ibn Sina (Avicenna) affermò che un proiettile nel vuoto non si sarebbe fermato se non agito.

Teoria dell'impulso

Nel 14° secolo, Jean Buridan respinse l'idea che una proprietà generatrice di movimento, che chiamò impetus , si dissipasse spontaneamente. La posizione di Buridano era che un oggetto in movimento sarebbe stato arrestato dalla resistenza dell'aria e dal peso del corpo che si sarebbe opposto al suo impeto. Buridan sostenne anche che l'impeto aumentava con la velocità; quindi, la sua idea iniziale di impeto era per molti versi simile al moderno concetto di slancio. Nonostante le ovvie somiglianze con le idee più moderne di inerzia, Buridano vedeva la sua teoria solo come una modifica alla filosofia di base di Aristotele, mantenendo molte altre visioni peripatetiche , inclusa la convinzione che esistesse ancora una differenza fondamentale tra un oggetto in movimento e un oggetto fermo . Buridano credeva anche che l'impulso potesse essere non solo lineare ma anche circolare in natura, facendo muovere gli oggetti (come i corpi celesti) in un cerchio.

Il pensiero di Buridano fu seguito dal suo allievo Alberto di Sassonia (1316-1390) e dai Calcolatori di Oxford , che eseguirono vari esperimenti che minarono ulteriormente la visione classica e aristotelica. Il loro lavoro a sua volta è stato elaborato da Nicole Oresme che ha aperto la strada alla pratica della dimostrazione delle leggi del moto sotto forma di grafici.

Poco prima della teoria dell'inerzia di Galileo, Giambattista Benedetti modificò la crescente teoria dell'impulso per coinvolgere solo il movimento lineare:

"...[Qualsiasi] porzione di materia corporea che si muove da sola quando un impulso è stato impresso su di essa da una forza motrice esterna ha una tendenza naturale a muoversi su un percorso rettilineo, non curvo."

Benedetti cita il movimento di una roccia in una fionda come esempio del movimento lineare intrinseco degli oggetti, forzati al movimento circolare.

inerzia classica

Secondo lo storico della scienza Charles Coulston Gillispie , l'inerzia "è entrata nella scienza come conseguenza fisica della geometrizzazione dello spazio-materia di Cartesio , combinata con l'immutabilità di Dio".

Galileo Galilei

Il principio di inerzia, originato da Aristotele per i "moti nel vuoto", afferma che un oggetto tende a resistere a un cambiamento di moto. Secondo Newton, un oggetto rimarrà fermo o in movimento (cioè manterrà la sua velocità) a meno che non agito da una forza esterna netta, sia che derivi dalla gravità , dall'attrito , dal contatto o da qualche altra forza. La divisione aristotelica del moto in mondano e celeste divenne sempre più problematica di fronte alle conclusioni di Niccolò Copernico nel XVI secolo, che sosteneva che la Terra non è mai in quiete, ma in realtà è in costante movimento attorno al Sole. Galileo , nel suo ulteriore sviluppo del modello copernicano , riconobbe questi problemi con la natura allora accettata del movimento e, almeno in parte, di conseguenza, incluse una riformulazione della descrizione di Aristotele del movimento nel vuoto come principio fisico di base:

Un corpo che si muove su una superficie piana continuerà nella stessa direzione a velocità costante a meno che non venga disturbato.

Scrive Galileo che «tolti tutti gli impedimenti esterni, un corpo pesante su una superficie sferica concentrica alla terra si manterrà nello stato in cui è stato; se posto in movimento verso occidente (per esempio), si manterrà in quello movimento." Questa nozione che è chiamata "inerzia circolare" o "inerzia circolare orizzontale" dagli storici della scienza, è un precursore, ma distinto, dalla nozione di inerzia rettilinea di Newton. Per Galileo un moto è " orizzontale " se non porta il corpo in movimento verso o lontano dal centro della terra, e per lui "per esempio, una nave, avendo ricevuto una volta qualche impeto attraverso il mare tranquillo, si muoverebbe continuamente in giro per il mondo senza mai fermarsi."

Vale anche la pena notare che Galileo più tardi (nel 1632) concluse che sulla base di questa premessa iniziale di inerzia, è impossibile dire la differenza tra un oggetto in movimento e uno fermo senza qualche riferimento esterno con cui confrontarlo. Questa osservazione alla fine divenne la base per Albert Einstein per sviluppare la teoria della relatività speciale .

Il primo fisico a staccarsi completamente dal modello aristotelico del movimento fu Isaac Beeckman nel 1614.

I concetti di inerzia negli scritti di Galileo sarebbero poi stati raffinati, modificati e codificati da Isaac Newton come la prima delle sue Leggi del moto (pubblicate per la prima volta nell'opera di Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , nel 1687):

Ogni corpo persevera nel suo stato di quiete, o di moto uniforme in linea retta, a meno che non sia costretto a mutare quello stato da forze impresse su di esso.

Dalla pubblicazione iniziale, le leggi del moto di Newton (e per inclusione, questa prima legge) sono diventate la base per il ramo della fisica noto come meccanica classica .

Il termine "inerzia" fu introdotto per la prima volta da Johannes Kepler nel suo Epitome Astronomiae Copernicanae (pubblicato in tre parti dal 1617 al 1621); tuttavia, il significato del termine di Keplero (da lui derivato dalla parola latina per "ozio" o "pigrizia") non era esattamente lo stesso della sua interpretazione moderna. Keplero definiva l'inerzia solo in termini di resistenza al movimento, ancora una volta sulla base della presunzione che il riposo fosse uno stato naturale che non necessitava di spiegazioni. Fu solo con i successivi lavori di Galileo e Newton che unificarono il riposo e il movimento in un principio che il termine "inerzia" poteva essere applicato a questi concetti come lo è oggi.

Tuttavia, nonostante definisse il concetto in modo così elegante nelle sue leggi del moto, anche Newton non usò effettivamente il termine "inerzia" per riferirsi alla sua Prima Legge. In effetti, Newton originariamente considerava il fenomeno che descrisse nella sua Prima Legge del Moto come causato da "forze innate" inerenti alla materia, che resistevano a qualsiasi accelerazione. Data questa prospettiva, e prendendo a prestito da Keplero, Newton attribuì il termine "inerzia" a significare "la forza innata posseduta da un oggetto che resiste ai cambiamenti in movimento"; così, Newton definì "inerzia" per indicare la causa del fenomeno, piuttosto che il fenomeno stesso. Tuttavia, le idee originali di Newton sulla "forza resistiva innata" erano in definitiva problematiche per una serie di ragioni, e quindi la maggior parte dei fisici non pensa più in questi termini. Poiché nessun meccanismo alternativo è stato prontamente accettato, ed è ora generalmente accettato che potrebbe non essercene uno che possiamo conoscere, il termine "inerzia" è arrivato a significare semplicemente il fenomeno stesso, piuttosto che qualsiasi meccanismo intrinseco. Quindi, in definitiva, "inerzia" nella fisica classica moderna è diventata un nome per lo stesso fenomeno descritto dalla prima legge del moto di Newton, ei due concetti sono ora considerati equivalenti.

Relatività

La teoria della relatività speciale di Albert Einstein , proposta nel suo articolo del 1905 intitolato " On the Electrodynamics of Moving Bodies ", è stata costruita sulla comprensione dei sistemi di riferimento inerziali sviluppati da Galileo e Newton. Mentre questa teoria rivoluzionaria ha cambiato significativamente il significato di molti concetti newtoniani come massa , energia e distanza , il concetto di inerzia di Einstein è rimasto invariato rispetto al significato originale di Newton. Tuttavia, ciò ha comportato una limitazione inerente alla relatività speciale: il principio di relatività potrebbe applicarsi solo ai sistemi di riferimento inerziali. Per affrontare questa limitazione, Einstein sviluppò la sua teoria della relatività generale ("The Foundation of the General Theory of Relativity", 1916), che forniva una teoria che includeva quadri di riferimento non inerziali (accelerati).

Inerzia rotazionale

inerzia rotazionale

Una grandezza correlata all'inerzia è l'inerzia rotazionale (→ momento d'inerzia ), la proprietà che un corpo rigido rotante mantiene il suo stato di moto rotatorio uniforme. Il suo momento angolare rimane invariato, a meno che non venga applicata una coppia esterna ; questo è anche chiamato conservazione del momento angolare. L'inerzia rotazionale è spesso considerata in relazione a un corpo rigido. Ad esempio, un giroscopio utilizza la proprietà di resistere a qualsiasi cambiamento nell'asse di rotazione.

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

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