La seconda Legge di Newton

Del perché è sbagliato scriverla come F=ma

La maggior parte dei libri di testo riporta la seconda legge di Newton come F=ma (le lettere in grassetto rappresentano i vettori). In questo post sostengo che questo non è il modo corretto di scriverla.


La maggior parte degli studenti percepisce la fisica come una disciplina molto simile alla matematica. È colpa dei libri di testo che, infatti, insegnano la fisica nello stesso modo in cui insegnano la matematica: attraverso l’enunciazione di assiomi (le leggi fisiche), seguita da una serie di dimostrazioni di teoremi e manipolazioni matematiche. Le leggi fisiche appaiono come assiomi perché spesso non sono giustificate da alcuna evidenza sperimentale. Per la maggior parte di esse si dice che “si può dimostrare che…” o che “Newton osservò che…” o anche “Faraday scoprì che…”. Raramente c’è un’analisi dettagliata delle prove sperimentali che porta lo studioso a formulare le leggi fisiche e, per chi non è abituato a lavorare secondo il metodo scientifico, tali leggi appaiono tanto arbitrarie quanto ineludibili, come il Teorema di Pitagora.

In effetti, questa maniera d’insegnare la fisica viene da lontano. Lo stesso Newton introduce la seconda legge in un capitolo intitolato “Axiomata sive leges motus” (Assiomi o leggi del moto).

In realtà, le leggi fisiche non sono affatto equazioni, per lo meno per come le intende un matematico. In matematica un’equazione è un’affermazione sulla completa equivalenza tra i due membri. La quantità rappresentata a sinistra del segno uguale è (deve essere) uguale (esattamente uguale) a quella a destra del segno. Di conseguenza, si può manipolare l’equazione spostando pezzi da sinistra a destra e viceversa (il che corrisponde a sommare o sottrarre la stessa quantità su entrambi i lati) o scambiandoli tra il numeratore e il denominatore di una frazione (il che equivale a moltiplicare o dividere entrambi i membri per la stessa quantità), seguendo le ben note “regole” dell’algebra.

In matematica F=ma è completamente equivalente ad a=F/m o a m=F/a (d’ora in poi, senza perdita di generalità, passiamo a una versione unidimensionale della Legge di Newton).

Scritta in questo modo l’equazione dice che l’accelerazione di un corpo (a sinistra del segno uguale) si può calcolare come (dipende da) la forza F applicata divisa per la sua massa m. La forma F=ma, invece, si può leggere come se la forza F dipendesse dalla massa e dall’accelerazione del corpo, oppure, peggio, come se F fosse definita come il prodotto di m e a. Le due forme non sono dunque per niente equivalenti, in fisica. D’altra parte, matematicamente anche m=F/a è corretta, ma nessuno si azzarda a scrivere questa legge in questo modo.

Naturalmente, una volta stabilito che l’accelerazione di un corpo dipende dal rapporto tra queste due grandezze, il valore numerico dell’accelerazione, così come è stato ottenuto in seguito a una misura, dev’essere uguale all’intensità della forza, misurata con un dinamometro, divisa per la massa del corpo ottenuta con una bilancia. Interpretate come relazioni tra misure, F=ma e m=F/a sono entrambe perfettamente coerenti: rappresentano l’equivalenza tra i corrispondenti valori misurati.

Tuttavia, anche in questo caso occorre fare attenzione. Infatti, le misure sono sempre affette da incertezze, quindi l’equivalenza è valida solo in media. I numeri effettivamente ottenuti possono non essere uguali, tuttavia l’equazione resta valida. Quando si risolve un esercizio, gli studenti trovano sempre valori “esatti”. Se devono approssimare il risultato, lo fanno solo perché è spesso impossibile scriverlo con precisione. In realtà, i risultati sono approssimati per definizione. Al contrario, quando si fanno misurazioni nelle attività di laboratorio, gli studenti cercano affannosamente (anche con modi poco leciti) di ottenere esattamente le quantità previste: non perché non capiscano che le misure possono fluttuare, ma perché sono abituati a risolvere esercizi il cui risultato è corretto solo se corrisponde esattamente alla soluzione stampata sul libro.

2 pensieri riguardo “La seconda Legge di Newton

  1. Ho letto che in alcuni casi la legge di Newton è introdotta addirittura come se fosse una definizione della grandezza fisica forza.
    Le chiedo quale potrebbe essere una definizione (operativa?) non circolare di forza, nel contesto della fisica classica, che si potrebbe presentare in un liceo?
    Da matematico mi verrebbe da considerarlo un ente primitivo, come il punto della geometria euclidea.

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    1. Di sicuro F=ma non è la definizione di forza. Direi che questo è profondamente sbagliato e il mio post va proprio in direzione confutare questa “percezione”. Una forza è la grandezza fisica che si misura col dinamometro. Quindi, al limite, si può dire che la sua definizione operativa è F=-kx dove k è la costante elastica di una molla e x l’elongazione della stessa in seguito all’applicazione di quella forza.

      Personalmente sono contrario a dare definizioni di grandezze fisiche che “somiglino” alle grandezze matematiche. Men che meno assocerei la parola “forza” alla parola “ente primitivo”, pur comprendendo la ragione di questa associazione. Le grandezze fisiche non sono grandezze astratte, matematiche; cercando di darne una definizione s’incorre nella distorsione secondo la quale una grandezza fisica è perfettamente definita come una grandezza matematica. Non è così (non so dire se per fortuna o purtroppo). La definizione di una grandezza fisica si può rendere più o meno raffinata, ma difficilmente avrà una definizione assimilabile a quella di un ente matematico. Preferirei una locuzione del tipo: la forza è una grandezza fisica che rappresenta lo sforzo che si deve esercitare in trazione o in compressione per modificare la lunghezza di una molla.

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