Rivoluzione della Meccanica Classica: Da Galileo a Newton

Meccanica Galileiana: Il Superamento del Pensiero Aristotelico

Gli storici della scienza affermano che Galileo fu il primo a studiare la meccanica libero da presupposti e totalmente al di fuori degli schemi aristotelici.

Il Problema del Moto in Aristotele

Aristotele affrontò il problema del moto (o del cambiamento) in modo qualitativo. Per comprendere questa affermazione, bisogna ricordare che egli sviluppò un'ontologia duale, in cui la regione sopralunare e la regione terrestre erano disciplinate da leggi fisiche diverse e costituite da elementi differenti. Così, la regione sopralunare era costituita dal quinto elemento, l'etere, dove regnava l'immutabilità. E la regione terrestre, dove ci sarebbe stato un soggetto universale, o materia prima, capace di assumere diverse forme attraverso le quali conosciamo le cose che ci circondano, poiché queste forme potevano variare da una semplice potenzialità all'attualizzazione tramite l'intervento di quattro qualità fondamentali: il freddo, il caldo, il secco e l'umido. Questa regione terrestre, a differenza della regione sopralunare, sarebbe stata soggetta a continui cambiamenti, trasformazioni, 'movimento', dove le forme (potenziali) si attualizzavano nella materia (aggiornamenti).

Tipi di Movimento Aristotelico

Il termine "movimento" per Aristotele significava cambiamento e trasformazione. Aristotele distingueva due tipi di movimento:

• Il movimento violento: un movimento che obbliga il corpo a lasciare il suo luogo naturale o a muoversi in qualsiasi direzione diversa da quella verticale, in un modo che non lo riporti al suo luogo naturale. Richiede un motore (causa esterna) che sia in contatto permanente con il corpo in movimento; una volta perso il contatto, il corpo si ferma.
• Il movimento naturale: la tendenza di tutti i corpi ad occupare il proprio luogo naturale. Si identifica con la caduta dei gravi. Galileo confutò questa spiegazione con la dimostrazione, forse istrionica, della Torre di Pisa, e infine formulò la legge della caduta dei gravi.

L'Alternativa Galileiana e la Nuova Meccanica

L'alternativa galileiana fu quella di utilizzare il principio idrostatico di Archimede come modello per combinare i fattori del movimento dinamico. La conclusione finale fu che i corpi omogenei cadono verso il basso alla stessa velocità perché le differenze di gravità, che sono proporzionali ai volumi, sono compensate da una forza in stretta relazione con i volumi. Così, in questo quadro teorico, Galileo presentò nei suoi Discorsi le basi della nuova meccanica:

La Legge della Caduta dei Gravi

Mise in discussione la spiegazione aristotelica della caduta libera dei corpi e presentò la legge della caduta dei gravi, la prima legge della fisica classica, ma per capire perché i corpi cadono si sarebbe dovuto attendere Newton. In questa legge troviamo validi motivi per considerare Galileo il padre della scienza classica:

Per la prima volta, il movimento è il risultato di una forza che è completamente intrinseca al corpo in movimento. Questo movimento non richiede più un motore per mantenerlo, ma persiste e può continuare indefinitamente nello spazio galileiano geometrizzato. Questo è il percorso verso il principio di inerzia, ma si è ancora lontani da esso. La velocità di un grave in caduta, partendo dal riposo, non è uniforme, ma continuamente accelerata, ed è soggetta alla legge dei numeri dispari. E la velocità aumenta con il tempo e non con la distanza.

Meccanica Newtoniana: Un Passo da Gigante

Contesto e Obiettivi di Newton

Come afferma Bernard Cohen nel suo libro La Rivoluzione di Newton (1980), Newton rivoluzionò la meccanica, ristrutturando radicalmente principi e concetti di movimento in relazione a massa, accelerazione e forza, e sviluppò anche un nuovo sistema del mondo in cui la gravitazione universale era la forza motrice e l'inerzia una proprietà fondamentale della materia.

Ma in quale ambiente fu forgiata la scienza newtoniana? Newton si formò tra i Neoplatonici di Cambridge, in contrapposizione alla filosofia cartesiana che imperversava in quel momento nell'Europa continentale.

L'obiettivo di Newton era simile a quello di Galileo, ma con la differenza che nelle sue mani sarebbe stato portato a compimento.

I Principia e le Leggi del Moto

Newton costruì un sistema assiomatico-deduttivo di stampo euclideo, per cui fu in grado di dedurre matematicamente l'intero funzionamento della natura da alcuni concetti e leggi fondamentali. Così, i Principia iniziano con una serie di definizioni di grandezze fisiche (forza, forza inerziale, forza impressa, forza centripeta...) per poi passare all'esposizione delle tre leggi del moto e dei principi della meccanica, in cui figura un nuovo concetto che non era apparso nelle leggi galileiane del moto: la forza. La cinematica galileiana sarebbe stata completata dalla dinamica newtoniana.

1. Legge di inerzia: Ogni corpo persevera nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme a meno che non sia costretto a cambiare tale stato dall'azione di una forza.
2. Legge fondamentale della dinamica: Si instaura una relazione tra la forza applicata a un corpo e il cambiamento di movimento (accelerazione) che ne deriva.
3. Legge di azione-reazione: Afferma l'impossibilità dell'esistenza di una singola forza senza una coppia di forze corrispondente.

Newton introdusse due diversi tipi di forze e ne permise la quantificazione. Una è la forza d'inerzia innata, l'altra è la forza impressa che modifica lo stato del corpo.

La Legge di Gravitazione Universale

La Legge di Gravitazione Universale è una legge potente e di speciale rilevanza. Spiega fenomeni così diversi come la caduta degli oggetti, il moto della Luna e dei pianeti o il fenomeno delle maree. È espressa come segue: 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.