Perché se salto nel treno in corsa rimango sul posto?
Primo principio della dinamica e inerzia
Partiamo enunciando il primo principio della dinamica, che asserisce: se la somma delle forze agenti su un corpo è nulla, allora il corpo permane nel suo stato di quiete se era in quiete o permane nel suo stato di moto rettilineo uniforme se era in moto.
In parole più semplici, gli oggetti hanno una tendenza a restare fermi se sono già fermi e allo stesso modo se un oggetto è già in movimento tenderà a rimanerci, se non disturbato da altre forze. Questa tendenza si chiama inerzia ed è tanto più forte quanto più è grande la massa dell’oggetto che consideriamo.
Un comune esempio di inerzia
Per capire meglio cosa si intende con questa tendenza a restare fermi e/o in moto, immaginiamo di avere una pallina da ping pong ed una palla da bowling poggiate per terra: se proviamo ad imprimere ad entrambe la stessa forza dandogli un colpetto con un dito, vedremo che la pallina da ping pong volerà via mentre la palla da bowling rimarrà ferma sul posto.
Questo perché la massa della pallina, e quindi la sua inerzia, è molto piccola e quindi essa non oppone una grande resistenza se cerchiamo di cambiare il suo stato di moto; al contrario, la palla da bowling, avendo una massa molto maggiore, ha anche una maggiore inerzia, cioè una maggiore tendenza a rimanere nel suo stato di moto o, in questo caso, di quiete.
Tornando al fenomeno del salto in treno, analizziamolo nel dettaglio utilizzando le nozioni appena trattate
Analizziamo il fenomeno: salto nel treno
Immaginiamo la situazione: saliamo su un treno inizialmente fermo, si chiudono le porte, il treno parte ed accelera fino a raggiungere una velocità costante, tipo 100km/h. Quindi decidiamo di metterci in piedi in mezzo al corridoio e di fare un salto verso l’alto: guardando il fenomeno dall’interno del treno, ci sembra di star facendo un salto sul posto. Il motivo sta nel fatto che anche noi, come il treno, stiamo viaggiando a 100 km/h e tendiamo a rimanere nel nostro stato di moto (uguale a quello del treno) perché abbiamo una nostra inerzia; quindi, l’essere sbalzati in qualsiasi direzione sarebbe una violazione di questo principio e non avrebbe un senso fisico.
E se noi fossimo fermi sulla banchina della stazione e al passare di un treno a 100 km/h facessimo un salto in avanti entrando nel treno in corsa? Non provatelo assolutamente: mentre il treno, come prima, ha una certa velocità in una certa direzione, adesso la nostra velocità nella direzione in cui si muove il treno è nulla. Quindi entrando di botto nel sistema treno, subiremmo l’effetto di un’accelerazione molto rapida ed improvvisa e ne risentiremmo parecchio fisicamente data la nostra inerzia, quindi la nostra tendenza a rimanere nel nostro stato di quiete: assolutamente sconsigliato e deleterio, limitiamoci a studiarne la situazione fisica.
Applicazioni: l’ inerzia in un’ automobile
Il luogo più comune in cui risentiamo dell’inerzia è l’automobile. Accelerando, frenando, sterzando veniamo continuamente sbalzati rispettivamente all’indietro, in avanti e verso il lato opposto a dove abbiamo sterzato per via del fatto che, volendo il nostro corpo mantenere il proprio stato di moto nella direzione in cui si sta muovendo, ci sembra che venga sbalzato nella direzione opposta a quella che prende l’automobile.
Perché quindi in queste situazioni veniamo sbalzati in varie direzioni e nel salto in treno rimaniamo fermi? Sono due situazioni diverse e la chiave per comprenderle sta nella parola accelerazione.
Sistemi inerziali
La velocità del treno la supponiamo costante, sia in modulo che in direzione, e coincide con la nostra velocità: possiamo quindi muoverci in qualsiasi modo sul treno e ci sembrerà di starci muovendo a terra o su qualsiasi altro sistema fermo. Questo è il concetto di sistema di riferimento inerziale: un sistema di riferimento inerziale è un sistema di riferimento in cui vale il principio di inerzia e sono considerati inerziali tutti i sistemi di riferimento in moto rettilineo uniforme (quindi anche il nostro treno a velocità costante) rispetto ad esso. Quindi se il sistema in cui mi trovo non è accelerato, ovvero la sua velocità non sta cambiando né in modulo né in direzione, vale il principio di inerzia e praticamente non vengo sbalzato qua e là da forze apparenti.
Sistemi non inerziali
Quando il sistema al quale siamo solidali, invece, è accelerato (quindi cambia la velocità in modulo o in direzione, ad esempio con una frenata o una sterzata) il sistema di riferimento non è inerziale e in quel sistema di riferimento il principio di inerzia non vale: cioè, nella pratica, veniamo sbalzati da delle forze apparenti durante le accelerazioni. L’automobile è il più comune dei sistemi di riferimento non inerziali.
L’ airbag e la cintura di sicurezza
Quando viaggiamo in auto ad una certa velocità, tipo a 60 km/h, il nostro corpo si muove alla stessa velocità dell’automobile: se avviene un incidente, ciò che succede è che la macchina si blocca improvvisamente, mentre il nostro corpo, per inerzia, continua a viaggiare nello spazio a 60 km/h. Per questi motivi assumono importanza la cintura di sicurezza e l’airbag: sono dispositivi che cercano di dissipare più gradualmente possibile l’energia cinetica di chi sta in auto cercando di limitare i danni.
Lo sapevi che…
La centrifuga della lavatrice è basata sullo stesso principio: il continuo cambio di direzione imposto dal moto circolare della lavatrice spinge i vestiti, e quindi anche l’acqua che li bagna, verso l’esterno del cestello. Questo perché la tendenza dei vestiti è sempre quella di permanere, per inerzia, nel loro moto rettilineo in una certa direzione, che però viene cambiata costantemente a causa della rotazione del cestello.
a cura di Nicola Salvemini