Il legge della caduta libera di Galileo Galilei stabilisce che la distanza percorsa da un corpo che si libera liberamente da una certa altezza è proporzionale al quadrato del tempo impiegato per percorrerlo.
E poiché il tempo dipende solo dall'altezza, tutti i corpi colpiscono il suolo contemporaneamente, indipendentemente dalla loro massa, quando vengono lasciati dalla stessa altezza..
Galileo, uno degli scienziati più brillanti di tutti i tempi, nacque nella città italiana di Pisa nel 1564.
A quel tempo, le credenze aristoteliche sulla natura del movimento erano condivise dalla maggior parte della comunità scientifica. Aristotele (384-322 a.C.) era un notevole pensatore greco antico, che aveva incarnato le sue convinzioni sulla scienza nelle 200 opere che si crede abbia scritto in tutta la sua vita.
Solo 31 di queste opere sono sopravvissute fino ad oggi, e in esse il filosofo greco ha spiegato la sua visione della natura, che è conosciuta come Fisica aristotelica. Uno dei suoi postulati è il seguente: quando due corpi vengono fatti cadere dalla stessa altezza, il più pesante raggiunge sempre per primo il suolo..
Galileo mise alla prova questa convinzione di lunga data e iniziò così lo sviluppo della scienza basata sulla sperimentazione, una rivoluzione che portò l'umanità a muovere i primi passi al di fuori della Terra e ampliò l'universo conosciuto a dimensioni insospettabili..
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Oggi ci viene insegnato che tutti gli oggetti, indipendentemente dalla loro massa, raggiungono il suolo nello stesso momento in cui vengono lasciati cadere da una certa altezza. Questo perché tutti, nessuno escluso, si muovono con la stessa accelerazione: quella di gravità. Ovviamente, fintanto che la resistenza dell'aria viene trascurata.
Possiamo verificarlo facendo cadere contemporaneamente e dalla stessa altezza un oggetto pesante e uno leggero, ad esempio una pietra e un foglio di carta sgualcito, e vedremo come raggiungono il suolo contemporaneamente..
Galileo era determinato a testare le credenze aristoteliche attraverso un'attenta sperimentazione e sviluppo matematico. La leggenda afferma che fece cadere oggetti dalla cima della famosa Torre Pendente di Pisa, misurando il tempo impiegato da ciascuno per cadere..
È discutibile che Galileo sia salito espressamente in cima alla torre per questo scopo, poiché in ogni caso la misurazione precisa di un tempo così breve - circa 3,4 s - con gli orologi dell'epoca non era possibile..
Ma si dice che in un'occasione Galileo raccolse molte persone ai piedi della torre per verificare di persona che in realtà due corpi di massa diversa stessero raggiungendo il suolo contemporaneamente..
Tuttavia, il fisico italiano ha registrato nei suoi libri altri esperimenti per studiare il movimento e scoprire così come si muovono le cose.
Tra questi ci sono quelli del pendolo semplice, che consiste nel sospendere una massa da una corda leggera e lasciarla oscillare e anche alcuni in cui si è cercato di misurare la velocità della luce (senza successo).
Tra i tanti esperimenti di Galileo ce n'era uno in cui usò un pendolo, al quale pose un chiodo in un punto intermedio tra l'inizio del movimento e la posizione più bassa..
Con questo intendeva troncare il pendolo, cioè accorciarlo. Una volta che il pendolo colpisce il chiodo, viene riportato al punto di partenza, il che significa che la velocità del pendolo dipende solo dall'altezza da cui è stato rilasciato, e non dalla massa che pendeva dal pendolo.
Questo esperimento lo ispirò al successivo, uno dei più notevoli eseguiti dal grande fisico e dal quale stabilì i principi della cinematica..
L'esperimento che portò Galileo a formulare la legge della caduta libera fu quello del piano inclinato, sul quale fece rotolare sfere di piombo da diverse altezze e con differenti inclinazioni. Ha anche cercato di spingere le sfere verso l'alto e misurare l'altezza che hanno raggiunto..
Così ha dimostrato che tutti i corpi cadono con la stessa accelerazione finché non interviene l'attrito. Questa è una situazione ideale, poiché l'attrito non scompare mai completamente. Tuttavia, un piano inclinato di legno levigato è una buona approssimazione..
Perché Galileo ha deciso di utilizzare un piano inclinato se voleva vedere come cadevano i corpi?
Molto semplice: perché non c'erano orologi appropriati per misurare con precisione il tempo di caduta. Poi ha avuto un'idea brillante: rallentare quella caduta, "levigare" la gravità attraverso un dispositivo.
Galileo ha eseguito la seguente sequenza e l'ha ripetuta "un centinaio di volte" per essere sicuro, come ha affermato nel suo libro Dialoghi su due nuove scienze:
-Prese un piano di legno levigato lungo circa 7 m, che aveva commissionato a un falegname, e lo pose con un certo angolo di inclinazione non molto ampio.
-Lasciò che una sfera rotolasse in discesa a una certa distanza.
-Tempo di viaggio misurato.
-Ha ripetuto quanto sopra con inclinazioni crescenti.
Galileo ha osservato che indipendentemente dall'angolo di inclinazione:
-La velocità della sfera è aumentata a un ritmo costante: l'accelerazione-.
-La distanza percorsa era proporzionale al quadrato del tempo trascorso.
E ha concluso che ciò sarebbe altrettanto vero se la rampa fosse verticale, il che equivale sicuramente a una caduta libera..
Se d è la distanza et è il tempo, l'osservazione di Galileo, in forma matematica, può essere riassunta come:
d ∝ tDue
Oggi sappiamo che la costante di proporzionalità richiesta per stabilire l'uguaglianza è ½ g, dove g è il valore dell'accelerazione di gravità, per ottenere:
d = ½ gtDue
Il valore accettato di g oggi è 9,81 m / sDue.
Galileo non solo lasciò che le sfere rotolassero giù per l'aereo, ma affrontò anche due piani inclinati per vedere fino a che punto una sfera poteva scivolare.
E ha scoperto che la sfera è riuscita a salire alla stessa altezza da cui era partita. Quindi l'angolo di inclinazione del secondo piano stava diminuendo, come mostrato nella figura sotto, fino a quando non era completamente orizzontale.
In tutti i casi, la sfera ha raggiunto un'altezza simile al punto di partenza. E quando il secondo piano diventava orizzontale, la sfera poteva muoversi indefinitamente, a meno che l'attrito non la rallentasse a poco a poco..
Galileo è considerato, insieme a Isaac Newton, il padre della fisica. Questi sono alcuni dei contributi alla scienza dai suoi esperimenti:
-Il concetto di accelerazione, fondamentale nello studio della cinematica dei corpi, in questo modo Galileo pose le basi del moto accelerato, e con esso quelle della Meccanica, che Isaac Newton avrebbe poi rafforzato con le sue tre leggi.
-Ha anche sottolineato l'importanza della forza di attrito, una forza che Aristotele non aveva mai considerato..
-Galileo ha dimostrato che l'azione continua di una forza non è necessaria per mantenere il movimento di un corpo, poiché in assenza di attrito la sfera continua a muoversi indefinitamente lungo la superficie del piano..
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