Esplorando le leggi della fisica: dai segreti della gravità alle meraviglie del cosmo

Le leggi della fisica descrivono e giustificano i fenomeni naturali e le interazioni tra le diverse entità fisiche.
Le scoperte scientifiche e il progresso tecnologico nel corso della storia dell’uomo è dovuto alla capacità di scienziati di tutti i tempi di derivare modelli matematici dall’osservazione di fenomeni macroscopici.

La storia delle leggi della fisica è caratterizzata da una continua evoluzione delle teorie e delle scoperte scientifiche, in cui ciascun passo avanti ha contribuito a migliorare la comprensione della natura e del funzionamento dell’universo.

Nell’antichità, i filosofi greci come Talete di Mileto e Pitagora iniziarono a speculare sulle leggi della natura e a cercare di spiegare i fenomeni naturali attraverso principi razionali. Tuttavia, gran parte delle idee dell’epoca erano basate sulla filosofia e sulla speculazione, piuttosto che su prove empiriche.

Le leggi della fisica classica

Bisogna attendere molti secoli prima che nascesse la fisica moderna nel XVII secolo quando Sir Isaac Newton definì le leggi del moto segnando la nascita della fisica moderna.

La fisica newtoniana, nota come fisica classica, ebbe un tale impatto da costituire il modello di tutti gli scienziati per i successivi 300 anni. Nei secoli successivi la fisica subì significativi progressi grazie al lavoro di scienziati come Alessandro Volta, Michael Faraday e James Clerk Maxwell.

Grazie al contributo di questi scienziati e, in particolare di Crookes, Johann Hittorf, Eugen Goldstein si scoprirono le proprietà dei raggi catodici, fino all’identificazione dei raggi catodici da parte di Thomson nel 1897 come particelle caricate negativamente che, in seguito, furono chiamate elettroni.

Tra la fine del XVIII e l’inizio del XIX secolo per le nuove scoperte scientifiche e tecnologiche si verificò un cambiamento radicale ed epocale della vita e dell’economia. La Rivoluzione Industriale che avvenne dapprima in Inghilterra e poi in tutta Europa e negli Stati Uniti tra la fine del XVIII e l’inizio del XX secolo si verificò grazie ai progressi soprattutto della fisica.

A dare lo slancio al cambiamento furono diversi fattori, ma gli elementi decisivi sono stati il motore a vapore e successivamente il motore a scoppio e l’energia elettrica.

Poco dopo la metà del XIX secolo nasce la termodinamica con i suoi principi che contribuì notevolmente allo sviluppo di macchine termiche, motore a scoppio, motore a vapore, motori a turbina, turbine a gas e, in seguito frigoriferi, condizionatori e pompe di calore

Dalle leggi della fisica classica alla meccanica quantistica

All’inizio del ventesimo secolo nacque una fisica nuova prima con la teoria della relatività di Einstein, poi la con fisica quantistica che descrive l’universo come complesso, incerto, imprevedibile e auto-organizzante. È anche la fisica quantistica che ha dato origine a tutta la nuova tecnologia che modella e definisce la vita del ventunesimo secolo.

Smartphone e chimica - chimicamo
Smartphone

Il chip al silicio che abilita computer, smartphone, case e città, Internet e la rivoluzionaria tecnologia 5G in arrivo, dipende dai processi quantistici per funzionare. La chirurgia laser, le TAC, le scansioni PET e le tecnologie mediche che diagnosticano le malattie e prolungano la vita, sono tutte tecnologie quantistiche. Superfluidi e superconduttori, la nuova fisica dei sistemi energetici e la chimica quantistica della scienza dei materiali sfruttano i segreti della scienza quantistica.

gatto di Schrödinger-chimicamo
gatto di Schrödinger

Il gatto di Schrödinger può essere considerato la mascotte della nuova fisica e concepito da Erwin Schrödinger, uno dei fondatori della fisica quantistica, per illustrare alcune delle caratteristiche apparentemente più bizzarre della realtà quantistica.

Nel mondo quantistico, tutte le possibilità, anche quelle reciprocamente contraddittorie, coesistono e hanno una realtà propria.

Le principali leggi della fisica

Tra le leggi della fisica più antiche vi è il Principio di Archimede relativo al comportamento di un corpo immerso in un fluido ovvero un liquido o un gas. Secondo questo principio esposto da uno dei più grandi scienziati della storia “un corpo immerso in un fluido, riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del liquido spostato”

Tra le leggi della fisica classica le più note sono le leggi di Newton. Secondo la prima legge di Newton nota come prima legge della dinamica o principio di inerzia “un corpo persevera nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme se su di esso non agiscono forze esterne”.

La seconda legge di Newton è detta secondo principio della dinamica o principio di proporzionalità secondo cui “La forza che agisce su un corpo è direttamente proporzionale alla massa del corpo e all’accelerazione, e ha stessa direzione e verso.”

La terza legge di Newton è nota anche come legge di azione e reazione ha una particolare importanza nell’equilibrio statico che si verifica quando un corpo è in quiete poiché la risultante delle forze applicate è nulla.

Dovuta sempre al genio di Newton vi è la legge di gravitazione universale secondo la quale due corpi si attraggono reciprocamente con una forza direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che li separa.

Tra le leggi della fisica la legge di Stevino ha una particolare importanza in relazione alla determinazione della pressione idrostatica. Afferma che la pressione esercitata da un fluido in un punto qualsiasi dipende solo dalla sua altezza e dal peso specifico del fluido stesso, e non dalla forma del contenitore o dalla quantità di fluido presente.

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principio di Pascal

Secondo il principio di Pascal in un fluido a riposo confinato la variazione di pressione in una parte è trasmessa a ogni parte del fluido con la stessa intensità e in direzione perpendicolare alla parete del contenitore su cui il fluido esercita la pressione.

Vi sono poi leggi della fisica che riguardano i fenomeni ottici tra cui la legge di Wien secondo cui un corpo nero è un corpo ideale che assorbe completamente la radiazione elettromagnetica di qualsiasi lunghezza d’onda senza rifletterla.

Il principio di Fermat detto anche “principio di minor tempo” costituisce un modo per spiegare la riflessione e la rifrazione come conseguenza di un unico principio e dalla cui applicazione deriva la legge di Snell che consente la determinazione dell’ampiezza dell’angolo di rifrazione

Vi sono poi leggi della fisica che attengono fenomeni elettrici come la legge di Ohm che consente di correlare la tensione, la corrente e la resistenza in un circuito elettrico.

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