Le tre leggi di Newton

Per accelerare a 3 m/s², un'auto di 1200 kg richiede una forza risultante di 3600 N.

Prima legge: i corpi mantengono il proprio stato di moto

Fai scivolare un libro su un tavolo: si ferma. Per molto tempo si pensò che i corpi in movimento tendessero naturalmente a fermarsi e che, per mantenerli in moto, servisse una spinta continua. Galileo la vedeva diversamente. Nei Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze (1638) immaginò una palla che rotola su un piano orizzontale perfettamente liscio e senza fine, sostenendo che continuerebbe a muoversi per sempre. Il libro si ferma perché agisce l'attrito, non perché fermarsi sia naturale.

Isaac Newton ne fece la prima di tre leggi nei Principia del 1687. Secondo la formulazione di OpenStax, un corpo fermo rimane fermo e un corpo in moto continua a muoversi con velocità costante, a meno che non agisca una forza esterna risultante. Questa tendenza a conservare il proprio stato si chiama inerzia e la massa ne è la misura. Un carrello della spesa pieno è più difficile da mettere in moto e da fermare rispetto a uno vuoto, perché ha maggiore inerzia. Le cinture di sicurezza servono proprio per la prima legge: quando un'auto si ferma bruscamente, il tuo corpo continua ad avanzare finché qualcosa non lo trattiene.

Seconda legge: F = m a

La seconda legge descrive quanto accelera un corpo quando le forze non sono in equilibrio. L'accelerazione ha direzione e verso della risultante, è proporzionale a essa e inversamente proporzionale alla massa: a = F_net ÷ m, più spesso scritta F_net = m a. Spingi un carretto di 2 kg con una risultante di 10 N e accelera a 5 m/s². Per far accelerare un'auto di 1200 kg a 3 m/s² servono 3600 N. Conta la risultante: se spingi una cassa di 5 kg con 50 N e l'attrito si oppone con 20 N, la risultante è 30 N e la cassa accelera a 6 m/s².

La seconda legge spiega anche perché tutti i corpi cadono con la stessa accelerazione. Un corpo più pesante subisce una forza gravitazionale maggiore, ma ha anche più massa da accelerare, e i due effetti si compensano esattamente: a = m g ÷ m = g.

Terza legge: le forze si presentano in coppia

Quando un corpo spinge o tira un altro corpo, il secondo esercita sul primo una forza di uguale intensità e verso opposto. Un nuotatore spinge l'acqua all'indietro e l'acqua lo spinge in avanti. Un razzo espelle gas caldi dall'ugello e il gas spinge il razzo verso l'alto; non serve aria contro cui spingere, perciò i razzi funzionano nello spazio. Quando cammini, il piede spinge il suolo all'indietro e il suolo ti spinge in avanti.

Le due forze di una coppia agiscono su corpi diversi, quindi non si annullano mai tra loro. È il tranello più comune. Quando un cavallo tira un carro, il carro tira il cavallo con uguale intensità, eppure si muovono: l'accelerazione del cavallo dipende da tutte le forze che agiscono su di esso, compresa la spinta del terreno sugli zoccoli.

In un solo calcio a un pallone puoi riconoscere tutte e tre le leggi. Prima del calcio il pallone è fermo perché la risultante delle forze è nulla (prima legge). Durante il breve contatto il piede spinge il pallone: più forte è la spinta, maggiore è l'accelerazione (seconda legge). Nello stesso istante il pallone spinge il piede con uguale intensità, e tu senti il colpo sulle dita (terza legge). Dopo che il pallone lascia il piede, agiscono solo la gravità e l'aria: la traiettoria è il moto parabolico del corso sul moto.