La luce dà luogo a vari fenomeni : riflessione, rifrazione, diffrazione, diffusione, interferenza ecc.
Per spiegare questi fenomeni sono state prodotte nei secoli varie teorie sulla natura della luce. Esse
possono dividersi un due categorie : teorie che affermano che la luce è costituita da corpuscoli e
teorie che affermano che la luce è costituita da onde.
Newton pensava che la luce avesse una natura corpuscolare. Successivamente si trovò un modo
più corrispondente alla realtà per spiegare la rifrazione (deviazione dei raggi di luce nel passaggio
da un mezzo all'altro (per esempio aria - acqua)) sulla base dell'ipotesi ondulatoria.
La spiegazione della rifrazione in termini ondulatori si basa sul fatto che la luce viaggia più lentamente
in un mezzo più denso rispetto ad uno meno denso. Questa differenza di velocità è la causa della
deviazione dei raggi di luce :
Anche gli altri principali fenomeni furono spiegati sulla base dell'ipotesi ondulatoria per cui l'ipotesi
corpuscolare venne abbandonata.
Solo all'inizio del '900 per spiegare fenomeni quali l'effetto fotoelettrico venne riproposta l'ipotesi
corpuscolare però secondo i principi della meccanica quantistica.
Oggi si suppone che la luce (e con essa ogni altro tipo di radiazione elettromagnetica) sia onda
e corpuscolo, contemporaneamente. La luce, quindi, avrebbe questa duplice natura che si manifesta
in un modo o nell'altro a secondo dei casi.
Questi concetti quantistici sulla luce saranno trattati molto più dettagliatamente in futuro.
02 - Meccanica newtoniana (visione audiovisivo) : primo principio o principio d'inerzia.
L'audiovisivo ci ha mostrato con un esperimento, nel quale l'attrito veniva ridotto quasi a zero,
che un corpo, sul quale agiscono forze con risultante nulla, se è inizialmente fermo, rimane fermo,
mentre se è inizialmente in moto, prosegue di moto rettilineo uniforme.(Le misure relative al moto
del corpo sono state eseguite in un sistema di riferimento solidale con la Terra).
Si può concludere, con una espressione più sintetica ed elegante:
"Se la risultante delle forze applicate ad un corpo è nulla, il corpo mantiene costante la
sua velocità".
Sembra che in questo enunciato manchi:
a) il caso del corpo fermo;
b) l'informazione sulla traiettoria rettilinea.
In realtà in questo breve enunciato sono contenute tutte le informazioni, perché:
a) se il corpo è fermo, ha velocità iniziale uguale a zero e dire che mantiene costante questa velocità
significa dire che rimane fermo;
b) la velocità è una grandezza vettoriale, con intensità, direzione e verso. Dire che la velocità si
mantiene costante, significa che tutti questi tre elementi si mantengono costanti, quindi anche la
direzione ed il verso. Quando la direzione è costante, la traiettoria è rettilinea.
Questo enunciato costituisce la prima legge della dinamica (principio d'inerzia). Le misure che ci
hanno portato al principio d'inerzia sono state eseguite in un sistema di riferimento solidale con la
Terra. Questo sistema di riferimento viene chiamato sistema inerziale.
Tutti i sistemi di riferimento nei quali vale il principio d'inerzia sono sistemi inerziali. I sistemi di
riferimento nei quali non vale il principio d'inerzia non sono sistemi inerziali.
Se consideriamo come sistema di riferimento un autobus in partenza, in frenata o in curva, otteniamo
un sistema di riferimento non inerziale.
03 - La meccanica classica.
Prendiamo ora in considerazione alcuni importanti principi su cui si basa la meccanica classica.
La meccanica classica è la base di ogni teoria fisica (anche di quelle quantistiche !!!) ed è
storicamente la prima teoria fisica (su basi scientifiche) creata dall'uomo.
La meccanica classica è stata sviluppata principalmente da Galileo, Newton, Lagrange e Hamilton
ed a metà '800 poteva dirsi compiuta.
I principi essenziali su cui si fonda la meccanica classica sono :
- 1 - Principio di conservazione (Lavoisier) : nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si
trasforma.
- 2 - Principio di minima azione (Hamilton) : la natura sceglie sempre il minor "sforzo"
ovvero, un corpo per andare da A a B "sceglie" sempre la traiettoria più
"conveniente" in termini di energia.
- 3 - Occorre sempre un sistema di riferimento (Galileo) : per descrivere i fenomeni fisici
occorre un sistema di riferimento che nel più semplice dei casi è formato da 3 coordinate
spaziali ( x , y , z , ovvero lunghezza, larghezza, altezza rispetto ad un punto dato preso
a piacere) ed un orologio per segnare il tempo t .
- 4 - Esistono sistemi di riferimento inerziali (o galileiani) (Galileo) : in essi il tempo è
omogeneo (i vari istanti di tempo sono equivalenti) e lo spazio è omogeneo (le varie
posizioni nello spazio sono equivalenti) ed isotropo (le varie orientazioni nello spazio
sono equivalenti). I sistemi di riferimento inerziali sono in numero infinito e si muovono
fra loro di moto rettilineo uniforme.
- 5 - Principio di inerzia (Galileo) : rispetto ad un sistema di riferimento inerziale un corpo
non soggetto a forze esterne (o su cui la risultante delle forze agenti è nulla) si muove
con velocità costante in grandezza, direzione e verso.
- 6 - Principio di relatività (Galileo) : le leggi della fisica sono le stesse in ogni sistema di
riferimento inerziale. Non esistono quindi sistemi di riferimento inerziali "privilegiati".
04 - Sistemi di riferimento inerziali e non inerziali.
I sistemi di riferimento inerziali, in effetti, sono una pura astrazione concettuale in quanto in natura sono
sempre presenti forze (non a risultante nulla) e non esistono sistemi completamente isolati.
Comunque, entro certi limiti, un sistema inerziale potrebbe essere una nave che procede a velocità
costante in presenza di mare calmo, un treno che avanza senza scosse su di un tratto rettilineo ed
a velocità costante, il mio tavolo di lavoro sul quale appoggio dei corpi il cui peso (forza gravità)
è neutralizzata dal tavolo stesso ecc.
In natura, comunque, i sistemi di riferimento sono non inerziali e per essi non vale il principio d'inerzia.
Rispetto ad essi la "descrizione del mondo" risulta molto più complicata che rispetto ad un sistema
inerziale.
Esempi di sistemi non inerziali che tutti esperimentiamo ogni giorno sono, per esempio, una automobile
che improvvisamente frena o curva e la superficie terrestre.
Se una automobile improvvisamente frena, tutti i corpi al suo interno che precedentemente erano
fermi (rispetto ad essa) sono visti iniziare a muoversi in avanti.
Se, invece, una automobile curva a destra, i corpi al suo interno vengono visti muoversi verso sinistra.
In entrambi i casi il principio d'inerzia viene violato : improvvisamente, senza l'azione di nessuna forza
nota (gravitazionale, elettromagnetica o nucleare), i corpi precedentemente in quiete cominciano a
muoversi.
Questa è la caratteristica fondamentale dei sistemi non inerziali : rispetto ad essi il principio d'inerzia
non vale.
Per quanto riguarda la superficie della terra su cui viviamo, a parte la forza di gravità che può essere
neutralizzata (almeno per i moti che avvengono orizzontalmente), vi è qualcosa che non può esserlo
e che rende la superficie della terra un sistema non inerziale (anche se debolmente) : la sua rotazione
rispetto all'asse terrestre.
Per verificare ciò presentiamo 3 casi : la caduta di un grave da una torre abbastanza alta, la forma
circolare dei cicloni ed anticicloni nell'atmosfera terrestre ed il moto del pendolo.
I corpi che cadono da una torre (abbastanza alta) toccano a terra leggermente spostati verso est :
Non ce ne accorgiamo, ma ogni corpo solidale con la superficie terrestre ne condivide il moto. Ciò
significa che i corpi sulla cima della torre hanno, rispetto ad un sistema inerziale "immobile" rispetto
al quale la terra ruota, una velocità maggiore dei corpi alla sua base (a causa della rotazione terrestre
verso est). Per questo motivo V1 > V2 .
Un corpo che cade dalla cima della torre (trascuriamo l'attrito con l'aria) mantiene questa velocità
(per il principio d'inerzia considerato da un sistema di riferimento inerziale rispetto al quale la terra
ruota) e cadendo a terra "trova" la base della torre dotata di una velocità (V2) minore. Per questo
motivo il corpo tocca terra spostato, rispetto alla verticale, verso est.
Analogamente, le correnti d'aria che si spostano lungo la superficie terrestre deviano la loro
traiettoria e, a causa delle influenze delle alte e basse pressioni, vengono a formare cicloni o
anticicloni (nel nostro emisfero un ciclone ruota attorno ad un minimo di pressione in senso
antiorario, un anticiclone, attorno ad un centro di alta pressione, in senso orario).
Un pendolo oscilla su un piano ben definito a causa del principio di conservazione del momento
angolare (lo stesso principio che fa sì che una trottola, la terra, ecc. girino su loro stessi in maniera
costante (finché non intervengono altre cause a modificarne la rotazione)). La terra, ruotando su se
stessa, "ruota" anche rispetto a tale piano di oscillazione del pendolo. Ciò rappresenta una delle
principali prove sulla rotazione della terra (Foucault 1851).
Le forze che si verificano nei sistemi di riferimento non inerziali, dovute ai sistemi stessi e non all'azione
di forze reali, si chiamano apparenti.
La caratteristica principale delle forze apparenti è che imprimono ai corpi accelerazioni non dipendenti
dalle masse dei corpi ma dipendenti solo dalla loro posizione rispetto al sistema non inerziale.
Ritorneremo sull'argomento quando introdurremo la teoria della relatività generale.
05 - La teoria della relatività ristretta.
Questa teoria fu pubblicata da Einstein nel 1905 e costituisce una correzione della meccanica classica,
che diventa così la meccanica relativistica, a causa del fatto che la velocità della luce risulta essere
costante in ogni sistema di riferimento inerziale (oltre ad essere una velocità limite, non oltrepassabile).
Quanto affermato va sotto il nome di "principio di costanza della velocità della luce".
Un semplice esempio può chiarire questo principio e nello stesso tempo mostrare quanto esso
sia distante dalla "mentalità comune" che ci siamo fatti vivendo in un ambiente dove le velocità
dei corpi sono enormemente piccole rispetto alla velocità della luce che ci appare perciò infinita
(come pensava Galileo).
Consideriamo una automobile che ci viene incontro (noi siamo "fermi") alla velocità di un chilometro
al secondo con i fari accesi (è una velocità impossibile per un'automobile !!! ma questo è un esperimento
ideale e una tale velocità ci semplifica i calcoli) . A quale velocità ci giunge la luce proiettata dai fari
verso di noi ? Il senso comune ci farebbe dire 300 000 + 1 chilometri al secondo (ovvero la somma
della velocità della macchina rispetto a noi più la velocità della luce rispetto alla macchina).
Questo risultato è errato !!! Esperimenti molto sofisticati mostrano che invece la luce ci perviene
sempre alla stessa velocità c !!! Questo, in sostanza, è un principio che va accettato così com'è,
perché la natura "funziona" così. Siamo noi, allora, che dobbiamo modificare la nostra "mentalità",
la nostra visione del mondo.
La teoria della relatività ristretta è quindi la meccanica classica "corretta" con l'aggiunta di questo
principio.
Gli effetti di questa teoria sono eclatanti e si possono riassume dicendo che spazio e tempo
sono soggetti a deformazioni (dilatazioni e contrazioni) in dipendenza della scelta del sistema
di riferimento.Non sono più entità "assolute".
Se consideriamo la velocità della luce infinita (cosa che è lecito fare in presenza di corpi "lenti")
si ottiene che la meccanica classica rimane valida.
Possiamo allora affermare che la meccanica classica è l'approssimazione della meccanica
relativistica (teoria della relatività ristretta) per velocità "piccole" rispetto alla velocità della luce.
Fine.