Tutti i moti sottostanno a delle leggi fisiche ben precise: scopo della fisica è la determinazione di tali leggi le cui espressioni sono, quasi sempre, sotto forma di formulazioni matematiche. Per studiare i moti occorre preliminarmente fissare un sistema di riferimento e valutare come un corpo si sposta nello spazio al trascorrere del tempo.
La parte della fisica che si occupa dello studio del movimento dei corpi senza occuparsi delle cause che lo producono, si chiama Cinematica.
Punto materiale
La cinematica prende l’avvio dalla descrizione del movimento del punto materiale, cioè un ente geometrico privo di estensione, ma avente carattere materiale, cioè dotato di massa. Il concetto di punto materiale è un modello utilizzato per rappresentare il comportamento di molti enti fisici che osserviamo intorno a noi. Considerare un corpo come un punto materiale è un’astrazione e un’approssimazione che però si rileva utile per ricavare alcune proprietà generali del suo movimento.
Il sistema di riferimento
Per studiare il moto di un corpo bisogna innanzitutto fissare un sistema di riferimento. Solitamente viene utilizzato un sistema di assi cartesiane ortogonali x, y, z. Un corpo si dice in moto o in quiete, rispetto al sistema di riferimento fissato, se al passare del tempo le coordinate che individuano la sua posizione nello spazio assumo valori differenti o rimangono immutate. Lo stato di moto o di quiete è un concetto relativo e non assoluto in dipendenza del sistema di riferimento scelto.
La traiettoria del moto
La traiettoria in genere è una linea complessa che si sviluppa nello spazio a 3 dimensioni. Si definisce traiettoria la linea descritta da un punto in movimento con il passare del tempo: essa può essere: rettilinea, circolare, parabolica, ellittica, ecc..
Il seguente link Simulazione apre una simulazione che mostra la traiettoria di un punto materiale e lo spostamento tra due punti A e B.
La posizione di un punto e la distanza percorsa
Consideriamo il moto di un punto materiale con traiettoria rettilinea; esso può essere descritto mediante una sola coordinata s. Fissato l’asse di riferimento degli spostamenti con una propria origine, si ipotizzino i valori riportati nella seguente figura:
Nel tempo t0, cioè il tempo in cui ha origine il moto, il punto materiale occupa una certa posizione (posizione iniziale); a partire da essa esso percorre l’asse s nel verso positivo.
La posizione iniziale S0 è fissata a2 m dall’origine del sistema di riferimento. Al tempo t=10 s supponiamo che la posizione sia s =10 m. Pertanto:
t0 = 0 s
S0 =2 m
t= 10 s
S =10 m
∆t = t – t0 = 10 s
∆s = s – s0 =8 m (∆ = differenza)
La distanza effettiva percorsa ∆s è la differenza tra la posizione finale e quella iniziale.
Velocità media di un punto
Il rapporto fra la distanza ∆S percorsa da un punto nell’intervallo di tempo ∆t e l’intervallo di tempo stesso si definisce velocità media del punto.
In formula:
V = ∆s / ∆t
Nel Sistema Internazionale la velocità è una grandezza derivata e la sua unità di misura è il metro al secondo (simbolo m/s).
Con i dati dell’esempio precedente, la velocità media sarà:
V = ∆s / ∆t = (s – s0) / (t – t0) =8 m / 10 s = 0,8 m/s
Per esprimere la velocità di un corpo si usa anche il chilometro orario (simbolo km/h). per trasformare il valore di una velocità da m/s in km/h e viceversa è sufficiente tener presente che:
velocità in km/h = velocità in m/s * 3,6
velocità in m/s = velocità in km/h : 3,6
La rotaia a cuscino d’aria
La rotaia a cuscino d’aria è stata ideata dal prof. J. Stall della Alfred University ed è ormai utilizzata in tutti i laboratori di Fisica delle scuole perché di fondamentale importanza per esperienze sul movimento. Un tubo di alluminio a sezione triangolare lungo circa 3 m viene forato su due lati con fori ugualmente intervallati e del diametro di circa 0,5 mm.
Mediante un compressore, viene immessa nel tubo (che è chiuso alle estremità) dell’aria a bassa pressione, che è costretta ad uscire dai fori. Un particolare carrello angolare di alluminio, applicato sul tubo, viene sostenuto dai getti, così che fra esso e la rotaia si forma un piccolo strato di aria di qualche decimo di mm, che consente il movimento del carrello con attrito enormemente ridotto. L’apparecchiatura è provvista di un dispositivo di sgancio e di traguardi metallici o a fotocellula che permettono, per mezzo di un contasecondi, di eseguire le misure dei tempi del movimento del carrello.