La sezione della fisica che si occupa del moto dei corpi è chiamata
meccanica e si suddivide in cinematica, dinamica
e statica. La cinematica si occupa della descrizione del moto. Le grandezze
del moto si chiamano grandezze cinematiche e sono: la posizione, il tempo, lo spostamento, la velocità e l'accelerazione. Il sistema di riferimento è un oggetto supposto in quiete
rispetto al quale si misurano le posizioni e i tempi.
La relazione che intercorre tra la posizione §s§ di un corpo e il tempo
§t§ si chiama legge oraria. Essa può essere rappresentata
mediante un grafico cartesiano §s-t§, chiamato grafico
orario, o mediante l'equazione oraria, cioè la funzione che
esprime il legame matematico fra le due variabili.
La velocità indica la rapidità con cui varia la posizione
di un corpo. La velocità media è definita come il rapporto tra lo spazio
percorso e l'intervallo di tempo impiegato a percorrerlo. La velocità istantanea è il valore cui si approssima la
velocità media quando l'intervallo di tempo considerato è
piccolissimo. L'accelerazione indica la rapidità con cui varia la velocità
di un corpo. L'accelerazione media è definita come il rapporto tra la
variazione di velocità e l'intervallo di tempo. L'accelerazione istantanea è il valore cui si approssima
l'accelerazione media quando l'intervallo di tempo considerato è
piccolissimo.
Nel moto rettilineo uniforme la velocità del corpo si mantiene
costante: lo spostamento del corpo e il tempo sono direttamente
proporzionali. Nel moto uniformemente accelerato l'accelerazione si mantiene
costante e la velocità varia in modo direttamente proporzionale al tempo.
Il moto di caduta libera di un grave è un esempio di moto uniformemente
accelerato; esso avviene con un'accelerazione pari all'accelerazione di
gravità, §g=9.81 uum/uus^2§.
La prima legge della dinamica, o principio d'inerzia,
afferma che se la risultante delle forze che agiscono su un corpo è
nulla, il corpo mantiene il suo stato di quiete o di moto rettilineo
uniforme; viceversa, se il corpo si muove di moto rettilineo uniforme, la
risultante delle forze a esso applicate è nulla.
La seconda legge della dinamica afferma che se la risultante delle
forze agenti su un corpo è diversa da zero, essa imprime
un'accelerazione al corpo, che si muoverà lungo la stessa direzione e
secondo lo stesso verso della forza applicata. L'accelerazione del corpo
risulterà direttamente proporzionale alla forza applicata e inversamente
proporzionale alla sua massa. Tale legge si esprime tramite la formula: $
vec F =m vec a $
Applicando la seconda legge della dinamica è possibile misurare la
forza peso esercitata dalla Terra su di un corpo sfruttando gli
effetti dinamici legati all'accelerazione di gravità. La forza d'attrito, un'altra forza con la quale ci confrontiamo
quotidianamente, è la forza che agisce sulle superfici di due corpi
posti a contatto e che, in genere, si oppone al loro reciproco movimento.
La terza legge della dinamica, o principio di azione e
reazione, afferma che se un corpo B esercita su un corpo A una forza $vec
F_A$, allora il corpo A esercita su B una forza $vec F_B$ che ha la
stessa intensità e la stessa direzione di $vec F_A$, ma verso
opposto. Tale legge si esprime attraverso la formula: $vec F_A = - vec
F_B $.
L'energia è una grandezza fisica che può presentarsi in
diverse forme, che può passare da una forma a un'altra e trasferirsi da
un corpo a un altro.
Le forme fondamentali di energia sono l'energia meccanica,
associata ai fenomeni meccanici, e l'energia termica, associata ai
fenomeni termici.
Quando si verifica una trasformazione e/o un trasferimento di energia,
l'ammontare totale di energia non cambia. Tale circostanza si esprime
affermando che l'energia totale si conserva.
Il lavoro di una forza che agisce su un corpo è il prodotto dello
spostamento del corpo per la componente della forza lungo la direzione di
moto del corpo $L=F_s Delta s$.
Il lavoro coincide in valore assoluto con la quantità di energia
meccanica che si trasferisce tra i corpi o che si trasforma durante un
processo fisico. L'unità di misura sia del lavoro sia dell'energia è
il joule (J).
La formula per ricavare l'energia cinetica di un corpo è $E_c = 1/2 m v^2$ con $m$ la massa del corpo e $v$ la sua velocità.
Le relazioni tra lavoro ed energia cinetica sono espresse dal teorema dell'energia cinetica secondo il quale il lavoro compiuto dalle
forze che agiscono su un corpo è pari alla variazione di energia
cinetica del corpo $L=Delta E_c$.
L'energia potenziale è strettamente legata al lavoro compiuto e
può essere definita soltanto per i corpi soggetti a forze conservative. Essa dipende dalla posizione del corpo; in particolare, l'energia potenziale gravitazionale dipende dall'altezza del corpo.
L'energia meccanica di un corpo è la somma della sua energia
cinetica e della sua energia potenziale. Se le forze che agiscono su un
corpo sono conservative, la sua energia meccanica si mantiene costante, cioè si conserva.
L'energia meccanica di un corpo soggetto a una forza non conservativa, come
la forza d'attrito, viene dissipata. L'energia meccanica dissipata, pari al
lavoro compiuto dalla forza non conservativa, si trasforma in energia termica.
Il calore e il lavoro rappresentano entrambi flussi di energia: il lavoro
trasforma energia meccanica in energia termica, il calore permette il
trasferimento di energia termica da un corpo a un altro. Il principio di
equivalenza di Joule stabilisce che 1 cal di calore equivale a 4,184 J di
lavoro meccanico.
