L'affascinante moto rettilineo uniforme
Il Moto Rettilineo Uniforme: Un Concetto di Relatività e Inerzia
Il moto rettilineo uniforme è davvero speciale. È lo stato di moto legato all’inerzia nella versione originale newtoniana, non quella relativistica. L'inerzia è la tendenza di un corpo (una massa) a mantenere il suo stato di moto o di quiete.
Nella formulazione originale1, si sottolinea che l’inerzia è la tendenza a mantenere il proprio stato di quiete o di moto rettilineo uniforme. Tuttavia, per le caratteristiche del moto rettilineo uniforme, è superfluo aggiungere lo stato di quiete. Questo tipo di moto implica che un corpo si muova con velocità costante, cioè in assenza di accelerazione.
È importante notare che chi misura tale moto ne determina le caratteristiche. Un moto rettilineo uniforme è identificato da V = k (velocità media costante e accelerazione pari a zero), dove k può essere anche 0. Questo significa che un oggetto fermo rispetto al misuratore equivale a un oggetto in moto rettilineo uniforme.
Tutto ciò avviene nel contesto di un sistema cosiddetto inerziale, privo di campi gravitazionali e/o accelerazioni, che sotto molti punti di vista sono la stessa cosa. Come sappiamo dai tempi di Galileo, il moto è relativo: il misuratore, ovvero colui che effettua la misura, gioca un ruolo fondamentale ed è parte integrante della misura stessa.
In questo contesto, si può intravedere il principio di indeterminazione proposto da Werner Heisenberg2, secondo cui la nostra misura non può essere considerata un sistema a parte. Le velocità nei moti relativi sono affascinanti proprio per questo aspetto “relativistico”.
Immaginiamo di trovarci nello spazio siderale, lontani da stelle, pianeti e punti di riferimento. Vediamo un corpo in moto rettilineo uniforme rispetto a noi. In realtà, non sappiamo se siamo noi a muoverci o se è il corpo. Misuriamo solo una velocità costante e un apparente moto rettilineo. Rispetto a un diverso osservatore, potremmo anche noi muoverci in moto rettilineo uniforme. Avremmo quindi due visioni diverse del corpo in movimento: la nostra e quella dell’altro osservatore, che vede muoversi in moto rettilineo uniforme sia noi sia il corpo che osserviamo.
La capacità di spostarsi tra sistemi di riferimento (in questo caso inerziali) non è così semplice come potrebbe sembrare. Il sistema di riferimento incide in modo determinante su una misura. Possiamo attribuire a un corpo quiete o moto rettilineo uniforme in base al nostro sistema di riferimento. Potremmo affermare che basta cambiare il nostro sistema di riferimento per conferire a un corpo moto o quiete, il che è davvero interessante.
Quando sosteniamo che un corpo è in quiete rispetto a noi, in realtà stiamo dicendo che noi (l’osservatore) condividiamo lo stesso sistema inerziale del corpo che stiamo osservando. Questo tipo di esperienze sono molto comuni, tanto che spesso non ce ne accorgiamo. La Terra, ad esempio, ruota a una velocità di circa 465,11 m/s all’equatore3 (1670 chilometri all’ora). Essendo noi solidali con il sistema Terra, consideriamo il nostro stato come di quiete. Nella pratica, non siamo in grado di sfruttare questa velocità perché non possiamo cambiare localmente il sistema di riferimento.
Se si potesse trovare un modo per cambiare sistemi di riferimento in modo locale, avremmo situazioni bizzarre e utilissime. Immaginate di prendere una ruota di un carro (quelle classiche di legno con i raggi) e poggiarla sul terreno, dritta davanti a noi. Normalmente, essendo nel nostro sistema di riferimento e solidale con la Terra, rimarrà in quiete.
Se riuscissimo a modificare il sistema di riferimento della ruota, ponendolo fuori dall’orbita terrestre, per esempio, la ruota inizierebbe a girare! Posta all’equatore, con la giusta direzione, ruoterebbe a 465,11 m/s! Fantastico!
La formulazione originale del principio di inerzia è attribuita a Galileo Galilei e successivamente formalizzata da Isaac Newton. Essa afferma che: Un corpo rimane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme a meno che non venga sollecitato da una forza esterna. Questa idea è espressa nel primo principio della dinamica di Newton, noto anche come prima legge di Newton. La legge sottolinea che l'inerzia è la proprietà di un corpo di resistere a cambiamenti nel suo stato di moto.
Questo principio di relatività anticipa concetti più moderni, come il principio di indeterminazione di Heisenberg, che suggerisce che la misura non può essere separata dal sistema osservato.
La velocità di rotazione della Terra intorno al proprio asse varia a seconda della latitudine. All'equatore, la velocità di rotazione è di circa 1670 chilometri all'ora (o circa 465 metri al secondo). Questa velocità diminuisce man mano che ci si avvicina ai poli, dove la velocità di rotazione è praticamente zero.