La meccanica è una materia che fa parte della fisica e studia i movimenti dei corpi, la forza e l'energia. Questa branca della fisica si divide in tre parti: la meccanica classica, che studia il moto e l'equilibrio dei corpi, la meccanica relativistica, che studia i corpi alla velocità della luce, e la meccanica quantistica, che studia i moti nella parte interna dell'atomo.

Secondo la meccanica tutto è movimento, da qualunque punto di vista lo osserviamo, che sia il sole, la terra o un'automobile. Studiando il moto di un corpo si possono ottenere informazioni sulla sua posizione, sull'accelerazione, sulla velocità e sulla forza. Il moto di un corpo incide anche sullo scambio di energia da parte di un sistema fisico, un insieme di oggetti all'interno dell'universo, con i sistemi che lo circondano tramite calore o lavoro.

La fisica meccanica è usata per capire i moti dei pianeti e delle placche tettoniche ma allo stesso tempo serve per mappare il flusso sanguigno e spiegare altri fenomeni della nostra vita quotidiana. Per questo la meccanica è una delle branche della fisica che tutti dovremmo conoscere.

Per aiutarti a capire la materia, scopriamo insieme quali sono le diverse aree della meccanica, in particolare la cinematica e la dinamica. In questo modo potrai prepararti meglio alle prove di autovalutazione delle facoltà di fisica o studiare fisica per un'interrogazione orale.

Come si sviluppa la fisica meccanica

La fisica meccanica deve molto alla teoria della relatività con Einstein.
Einstein ha rivoluzionato la fisica introducendo il concetto di relatività!

Anche se è difficile stabilire il periodo esatto in cui sono iniziati gli studi sulla meccanica, possiamo dire che la storia della meccanica ha inizio con le antiche civiltà. Nell'Antica Grecia, il contributo più in linea con la scienza moderna è arrivato dagli studi sull'idrostatica e la statica di Archimede, ma molti altri filosofi e matematici hanno contribuito a gettare le basi per l'analisi dei fenomeni naturali.

Nel XV secolo c'è stato un enorme balzo avanti della meccanica, grazie alle teorie copernicane, all'invenzione del telescopio e all'opera scientifica di Galileo Galilei. Lo studioso pisano ha introdotto gli studi sul moto rettilineo uniforme, l'oscillazione con il famoso pendolo e il moto a proiettile o meglio, moto parabolico. Galileo, inoltre, ha appoggiato la teoria di Copernico secondo cui il Sole e non la Terra, è al centro del nostro sistema solare usando un metodo che diventerà la base della scienza moderna.

Un altro grande impulso alla meccanica avviene con Isaac Newton e le tre leggi della dinamica contenute nel libro Principi matematici della filosofia naturale pubblicato nel 1687. La dinamica è una parte della meccanica che cerca di capire perché un corpo si muove.

Nel XX secolo Einstein elabora la teoria della relatività, una delle idee più importanti che hanno permesso alla fisica meccanica di fare passi da gigante e all'umanità intera di avere una conoscenza maggiore dell'universo.

I perché della fisica dalla meccanica alla termodinamica

La meccanica classica si basa sulle leggi di Newton.
La meccanica classica studia la forza e i moti!

La storia della fisica meccanica è fatta di tre grandi avvenimenti, come ricorda uno dei libri più usati alle scuole superiori, "I perché della fisica dalla meccanica alla termodinamica". Il primo è la nascita della fisica classica, sviluppatasi intorno al XVII secolo e basata sulle teorie di Newton e Hamilton. Il secondo è la nascita della meccanica relativistica nel 1905 grazie alle teorie di Albert Einstein.

Il terzo avvenimento, si verifica qualche anno più tardi, quando Max Planck, un altro fisico tedesco e Premio Nobel, dà impulso agli studi sulla parte interna dell'atomo e alla successiva nascita della meccanica quantistica con Heisenberg e Schrodinger.

Vediamo quali principi generali sono alla base di queste tre aree della meccanica.

La meccanica classica

La meccanica classica si divide in statica, cinematica e dinamica.

Il punto materiale nella statica

La statica è una parte della fisica meccanica che studia le condizioni di equilibrio dei corpi.

Un corpo è in equilibrio se è fermo e persevera nel suo stato di quiete al trascorrere del tempo.

Grazie alla statica, possiamo semplificare la realtà e immaginare un corpo come se fosse un punto materiale dove si concentra tutta la materia che esso contiene.

Immaginando il corpo come punto materiale, si possono studiare i moti, la massa e la forza peso e la sua condizione di equilibrio come somma di tutte le forze vettoriali applicate ad esso.

Fisica meccanica: cinematica

La cinematica consiste nello studio del moto, indipendentemente dalle cause che lo generano. Proprio per questo la cinematica studia diversi tipi di moto, tra cui:

  • Moto rettilineo uniforme
  • Moto uniformemente accelerato
  • Moto circolare uniforme
  • Moto circolare uniformemente accelerato
  • Moto armonico

La cinematica si divide in due aree: la cinematica vettoriale, che prende in considerazione il verso e la direzione dei corpi e la cinematica scalare, che invece non considera questi aspetti.

Le grandezze vettoriali si esprimono indicando un numero con l'unità di misura, il verso e la direzione sono la velocità, l'accelerazione e la forza. Le grandezze scalari si esprimono con un semplice numero e l'unità di misura e sono la massa, il tempo e l'energia.

Le unità di misura sono quantità prestabilite di una grandezza.

I principi della dinamica

Cosa studia la dinamica?

La dinamica è quella parte della meccanica che studia le forze che provocano il moto. Questa disciplina prende origine dalle Leggi di Newton e include lo studio di fenomeni fisici come le collisioni, l'idrostatica e la forza di gravità.

Gli elementi di base della fisica meccanica vengono introdotti alle scuole medie, ma è alle superiori che si approfondiscono i vari moti.

Gli scienziati di riferimento della meccanica classica sono Galilei, Giovanni Keplero e Isaac Newton. Vediamo in particolare quali sono le tre leggi di Newton:

  • Primo principio o principio di inerzia. La prima legge di Newton afferma che un corpo non soggetto a forze o soggetto a forze la cui risultante è nulla, rimane nel suo stato di quiete o continua a muoversi di moto rettilineo uniforme.
  • Secondo principio o principio di proporzionalità. La seconda legge di Newton afferma che una forza o un insieme di forze che agiscono su un corpo imprime su di esso un'accelerazione nella stessa direzione e nello stesso verso della forza stesso. In altri termini la forza è direttamente proporzionale all'accelerazione e indirettamente proporzionale alla massa del corpo. Forza e accelerazione hanno la stessa direzione e verso.
  • Terzo principio o principio di azione e reazione. La terza legge di Newton afferma che se un corpo esercita una forza su un altro corpo allora esso riceve una forza uguale e contraria a quella esercitata. Questo vuol dire che a ogni azione corrisponde una reazione. Le due forze hanno la stessa direzione e verso opposto.

Facendo esercizi di fisica, puoi imparare a calcolare grandezze come lo spazio, il tempo, la massa e la forza oltre alla velocità e all'accelerazione.

Se hai dubbi sui concetti di quantità e grandezza chiedi informazioni al tuo insegnante!

La termodinamica

La fisica può essere vista anche come una manifestazione matematica della filosofia.
Con un libro di fisica inizi a comprendere i fenomeni che ti circondano!

Un'altra branca della fisica classica è la termodinamica, una scienza che studia lo scambio di energia tra sistemi fisici diversi e ha a che fare anche con i sistemi chimici.

A proposito, qual è la differenza tra fisica e chimica?

Mentre la prima studia la natura e le leggi, o forze fondamentali, che la governano in tutto l'universo, la seconda si concentra sullo studio dell'energia e del modo in cui le sostanze interagiscono tra loro sulla terra.

Il termine fisica viene dal latino, physica, a sua volta tratto dal greco physiké, che significa appunto, natura.

La meccanica relativistica

La teoria della relatività è stata sviluppata da Albert Einstein nel 1905, l'anno d'oro in cui il genio tedesco rese pubbliche le sue idee.

La meccanica relativistica afferma che quando il tempo e lo spazio sono vicini o uguali alla velocità della luce sono relativi. Se ci fossero due osservatori, uno fermo e un altro in movimento, avrebbero due percezioni diverse rispetto alle unità di tempo e spazio.

Se le leggi di Galileo e Newton valgono in un sistema di riferimento inerziale, dove un corpo si muove a velocità costante, le teorie di Einstein aprono una prospettiva su sistemi che si muovono alla velocità della luce.

Nel programma scolastico si fa un accenno alla teoria relativistica. Se hai dubbi o incertezze, puoi sempre prendere lezioni di fisica e imparare a svolgere gli esercizi in autonomia.

La meccanica quantistica

Prima dello sviluppo della meccanica quantistica era possibile studiare il moto di un corpo a una velocità simile o uguale a quella della luce, quindi ci si concentrava sui grandi corpi celesti. Con la meccanica quantistica l'interesse si sposta a livello microscopico.

Nel corso degli anni sono state sviluppate diverse teorie sui cosiddetti, quanti, poi chiamati fotoni, come l'effetto fotoelettrico di Einstein o il modello atomico sviluppato da Bohr.

In questo periodo diversi ricercatori sono arrivati alla conclusione che la luce si comporta sia come una particella sia come un'onda, ma il comportamento cambia in base a determinate condizioni.

La meccanica quantistica potrebbe sembrare molto lontana e teorica perché ci porta a immaginare un microcosmo che non conosciamo ancora alla perfezione, ma in realtà è molto più vicina a noi di quello che pensiamo.

La meccanica quantistica si applica infatti alla realizzazione di laser e alla risonanza magnetica, per esempio.

Scopri quali altre applicazioni trova la meccanica con delle lezioni di fisica e chimica!

Come risolvere problemi di fisica meccanica con un esperimento

Esercizi ed esperimenti sono molto importanti nella fisica.
Ci sono diversi esperimenti che si possono fare per risolvere i problemi di fisica!

Ora che conosci alcune delle informazioni di base sulla fisica meccanica, potresti anche cercare di fare degli esperimenti per capire come funziona in pratica. Ecco un esperimento che può essere fatto anche dagli alunni delle medie.

Per prima cosa, raccogli questo materiale: un foglio di cartoncino o una carta da gioco, una moneta, un bicchiere e un righello.

Appoggia una carta da gioco su un bicchiere, poi metti la moneta al centro della carta. Se dai un colpo di righello alla carta da gioco, la moneta va dentro il bicchiere.

In questo modo hai dimostrato il principio di inerzia, ossia che un corpo in stato di quiete, in questo caso la moneta, tende a mantenere la sua posizione iniziale.

Alle superiori puoi fare anche esercizi di termodinamica e vedere come i corpi si dilatano con il calore.

La fisica meccanica dalle superiori all'università

Gli studi sulla meccanica quantistica sono sempre attuali.
La meccanica quantistica è una delle principali branche della fisica contemporanea!

La meccanica è una delle principali aree di studio alle scuole superiori. Se frequenti il liceo scientifico è una delle materie di indirizzo, insieme a matematica, quindi sarà oggetto della seconda prova agli esami di maturità.

Fisica alle superiori

Il segreto per superare l'esame di stato allo scritto e all'orale senza troppe difficoltà è studiare giorno dopo giorno e fermarti per ripassare i vecchi argomenti.

Tra gli argomenti di fisica trattati alle superiori ci sono:

Alla seconda prova dell'esame di maturità, matematica e fisica vengono affrontate nelle stesse domande. Infatti, lo studente deve scegliere 1 problema e 4 quesiti e applicare le formule corrette per risolvere il problema di fisica.

Le funzioni integrali derivate sono alcuni dei calcoli che devi conoscere.

Il test di autovalutazione all'università

Se la fisica è la tua passione, dopo la maturità puoi iscriverti a un corso di laurea in fisica.

Per studiare fisica all'università non è più richiesta una prova di ammissione. O meglio, le facoltà sono ormai aperte a tutti, ma è necessario passare un test di autovalutazione delle proprie competenze.

A cosa serve questo test?

In realtà, serve allo studente per capire quali sono le proprie conoscenze in ambito scientifico e quali saranno i primi esami da dare. Chi non supera il test iniziale, può sempre iscriversi all'università ma dovrà fare degli esami aggiuntivi per poter passare all'anno successivo.

Per esempio, all'Università di Bologna, prima di iscriversi alla facoltà di fisica bisogna superare il Test Online Cisia,  TOLC-I, un esame utile anche per altre facoltà come ingegneria e matematica. Per la facoltà di chimica, invece, devi sostenere il TOLC-S.

Il TOLC viene fatto al computer ed è composto da queste sezioni:

  • 20 domande di matematica
  • 10 domande di logica
  • 10 domande di scienze
  • 10 domande di comprensione verbale

Puoi iscriverti al TOLC anche se sei ancora alle superiori. Basta pagare 30 € e prenotare la tua sessione online. Durante l'emergenza Covid puoi sostenere l'esame anche a domicilio iscrivendoti al TOLC@CASA. Puoi provare a dare l'esame più volte, fino a che non ottieni il punteggio che desideri usare per iscriverti all'università.

Se vuoi affrontare al meglio l'esame di maturità e i test che precedono l'iscrizione alla facoltà di fisica dovrai fare esercizi di matematica e fisica generale per tutto l'anno!

Libri di fisica

Le leggi della fisica possono essere la chiave per comprendere tutti i sistemi esistenti.
La fisica può essere la risposta a molte domande sul nostro universo!

E' vero che il test di ingresso all'università non ti impedisce di frequentare la facoltà di fisica. E' anche vero, però, che se ottieni un punteggio basso dovrai fare degli esami di recupero entro i tempi stabiliti dalla tua facoltà.

Tanto vale cominciare a studiare subito la legge di gravitazione universale e tutto il programma di fisica generale!

Questi sono alcuni dei libri, saggi anche in lingua originale, che potresti trovare utili per prepararti a un'esame orale o scritto:

  • Elementi di fisica vol. 1 e vol 2. di Paolo Mazzoldi, Massimo Nigro, Cesare Voci - Edises
  • Problemi di fisica generale, meccanica, termodinamica di Pierluigi Zotto, Sergio Lo Russo - La Dotta
  • La rivoluzione incompiuta di Einstein. La ricerca di ciò che c'è al di là dei quanti di Lee Smolin (S. Frediani traduttore)
  • Principia: vol. I: The Motion of Bodies e Principia: vol. II The System of the World di Isaac Newton
  • Relativity, The Special and the General Theory, di Albert Einstein

Chiedi più informazioni sui libri di testo più adatti a te durante le lezioni di fisica!

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Catia

Traduttrice e scrittrice con una passione per le lingue