La cinematica: lo studio del moto dei corpi
Alle scuole superiori la cinematica rappresenta il primo approccio che gli studenti hanno con la Fisica. Si tratta della branca che studia il moto dei corpi considerandoli solo come punti materiali e a differenza della Dinamica non indaga le cause che li mettono in movimento. Il suo ambito di studio copre sia i moti di traslazione che quelli di tipo rotazionale.
Il motivo per cui si tratta del primo argomento che si tratta a scuola in Fisica è dovuto al suo approccio semplicistico, tanto che la si accenna già alle scuole medie. Tra i modelli di movimento analizzati troviamo il moto rettilineo uniforme, il rettilineo uniformemente accelerato, il moto circolare uniforme, il circolare uniformemente accelerato e per finire il moto armonico.
La nascita della cinematica
Partiamo dalla derivazione del nome, ossia il termine greco κίνημα -ατος, che tradotto in modo letterale significa “movimento”.
A coniare questa definizione fu il fisico francese André-Marie Ampère, che si dedicò in particolare allo studio dell’elettromagnetismo tra la fine del Settecento e la prima metà dell’Ottocento. La sua nascita però si può datare prima della sua definizione, per la precisione agli anni degli esperimenti di Galileo Galilei.
Grazie alle scoperte di Einstein nel 1905 nacque anche la cinematica relativistica. Si tratta dell’applicazione delle leggi cinematiche al moto delle particelle atomiche basandosi sulla teoria della relatività. Inoltre affronta l’analisi degli urti che si verificano tra le suddette particelle considerando il principio di conservazione e di trasformazione dell’energia.
Il moto rettilineo uniforme
Con questa legge oraria la cinematica ci permette di ricavare le formule per trovare la velocità v = s – si/t – ti e il tempo t = s – si/v + ti. Naturalmente nel caso si e ti siano nulli possiamo semplificare queste formule e scrivere v = s/t e t = s/v. Da queste formule ricaviamo che spazio e tempo sono grandezze direttamente proporzionali.
Se costruiamo il grafico spazio-tempo possiamo osservare che si ottiene una retta, dove il coefficiente angolare m è rappresentato dalla velocità. L’ordinata all’origine q invece corrisponde alla posizione iniziale si.
Il moto rettilineo uniformemente accelerato
Se un corpo si muove in linea retta ma la sua velocità aumenta in modo costante allora in cinematica si parla di moto rettilineo uniformemente accelerato. L’accelerazione (a) si definisce come la grandezza che misura la variazione di velocità nell’unità di tempo e il suo valore medio in questo moto è uguale a quello istantaneo.
In questo caso la legge oraria si esprime con la formula s = ½ a(t – ti)2 + vi(t – ti) + si.
Dalla legge oraria possiamo ricavare la formula per calcolare la velocità, ossia v = vi + a(t – ti). Se poniamo l’accelerazione uguale a zero possiamo renderci conto che si ritorna al moto rettilineo uniforme, perché senza accelerazione la velocità del corpo rimane costante. Possiamo allora dire che il moto rettilineo uniforme rappresenta un caso particolare del secondo.
Dato che è presente l’accelerazione se costruiamo il grafico spazio-tempo non otteniamo più una retta ma una parabola crescente, almeno nel caso in cui a risulta positiva (a > 0). Quando invece è presente una decelerazione e quindi a < 0 allora la parabola è discendente.
