Capire la Fisica

Introduzione all'argomento:

• L'inerzia della massa fu scoperta da Galileo Galilei, dopo lunghe osservazioni del moto dei corpi sui piani inclinati ed orizzontali. Con questa straordinaria scoperta Galileo capì il vero comportamento dei corpi in movimento. Lui venti secoli dopo, spiegò l'errore contenuto nella teoria di Aristotele, secondo il quale un corpo rimane in movimento finché c'è una forza applicata su di esso. Qui si capisce che la teoria aristotelica seppure apparentemente convincente, era errata perché aveva completamente ignorato le forze contrastanti di attrito, superficie terrestre ed atmosfera, che rallentano il movimento dei corpi fino a fermarli.
• In sostanza Galileo fece fare un grande passo in avanti alla conoscenza scientifica, perché dedusse che per far muovere un corpo a velocità costante non c'è bisogno di forze che lo spingano costantemente. Anzi, il moto rettilineo uniforme si verifica proprio quando non ci sono forze. In assenza di attriti un corpo in movimento mantiene la sua velocità costante in direzione, verso ed intensità. Il principio scoperto da Galileo si pone, pertanto, come l'esatto contrario della teoria aristotelica. Il principio di inerzia stabilisce che un corpo permane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme a meno che non intervenga una forza esterna a modificare tale stato. Qui si parla di principio e non di legge perché si tratta di un assioma, cioè un fondamento scientifico del moto dei corpi, ricavato per induzione da moltissime esperienze ed osservazioni. Ciò significa che qualunque teoria o legge riguardante il movimento dei corpi non può entrare in contrasto con questo fondamentale principio, per il semplice motivo che sarebbe erronea.

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Ma cosa è veramente l'inerzia? Nella fisica moderna l'inerzia non è stata mai chiarita completamente, forse perché con l'avvento della relatività è stata messa un po' in disparte e mai studiata seriamente, infatti dalla sua scoperta nel 1630 da parte di Galileo Galilei non si è mai esaminata affondo. Il colpo di grazia ci fu quando Einstein pubblicò la sua teoria generale, da lì l'inerzia fu relegata ad un fenomeno secondario poco importante, ed i suoi effetti furono visti e studiati solo dall'esterno.
Perché dico questo? Perché Einstein nel formulare la sua teoria fu molto condizionato dai ragionamenti del fisico filosofo Ernst Mach, lui elaborava una particolare teoria dove sosteneva: che l'inerzia della singola massa non aveva senso vista da sola, ma questa doveva essere vista nel contesto generale dell'universo, perché secondo lui, l'inerzia era generata e condizionata da tutte le masse stellari; con questa visione l'intero Universo prendeva un importanza fondamentale, così non aveva alcun senso l'inerzia o il moto di una singola massa come pure il singolo tempo perché questi possono essere solo relativi e mai assoluti. Einstein fu molto colpito da questa visione, che diede il nome a questo principio chiamandolo appunto “principio di Mach” da qui formulò la sua teoria della relatività generale, mantenne fermamente il concetto di moto e tempo relativo, ma dovette cedere dopo alcuni anni sul concetto d'inerzia relativa generata dalla globalità della massa dell'universo perché questa idea faceva acqua da tutte le parti.

Adesso per cercare di capire l'inerzia dobbiamo leggere anche il capitolo la forza gravitazionale, da questo capitolo capiamo che nell'Universo esistono le particelle con massa e particelle senza massa, l'inerzia è una proprietà insita solo nella materia che ha una massa, noi sappiamo che la materia come noi la conosciamo per esistere deve innescare la forza nucleare questa forza una volta attivata ha la capacità di formare la materia e come conseguenza genera all'esterno della massa un'energia in entrata attrattiva chiamata forza gravitazionale tutto questo è una particolarità esclusiva della sola materia che ha una sua massa (questo argomento verrà approfondito e spiegato nei capitoli successivi), qui vorrei fare un esempio pratico per cercare di capire meglio, vi è mai capitato di aprire il rubinetto dove c'è attaccato un tubo e alla sua estremità un irrigatore? Immaginate come si comporterebbe se lo lasciassimo a terra e apriamo l'acqua? Quando l'acqua inizia ad uscire dall'irrigatore e la pressione si fa veramente sentire, l'estremità libera del tubo inizia ad alzarsi ed a muoversi come un serpente animato. Questo comportamento si capisce perché il tubo messo sotto pressione inizia a spingere nelle varie direzioni ma esce solo dall'estremità del tubo con l'irrigatore che d'altra parte è la sola direzione dove può uscire ma nel far questo viene impedita una libera fuoriuscita senza resistenze ed è proprio per questo che il tubo si anima, le resistenze all'interno del tubo spingono nelle diverse direzioni. Adesso immaginiamoci una forza inversa tipo aspirapolvere, però il raggio d'azione di questa forza non deve essere in una sola direzione ma aperta verso lo spazio circostante a tre dimensioni a 360°, cosa può succedere in questo caso? Succede che l'energia prodotta dalla materia con massa (nell'esempio come forza dell'aspirapolvere), stando in uno spazio senza influenze gravitazionali ha la capacità di sostenersi da sola, senza andare a coinvolgere l'intero universo, in più se questa materia si trova in uno spazio con influenze gravitazionali esterne la materia in questo caso si muove semplicemente.

Quindi idealmente la materia è ferma in uno spazio senza l'influenza gravitazionale, e il suo vero “peso” è zero, la sua inerzia è zero perché a riposo, se così si può dire per capire meglio.

Facendo il punto qui capiamo, che la forza nucleare nel creare la materia attiva anche la forza gravitazionale, dando alla materia la capacità di sostenersi e camminare solo se ci sono influenze esterne.

Però l'inerzia ha altre capacità, lei nella materia si comporta esattamente come un volano, perché è vero che è zero quando la materia è ferma quindi l'inerzia è scarica, ma quando la materia è in moto l'inerzia ha la capacità di sovraccaricare di energia cinetica la massa, questo non sono io ad affermarlo ma è dimostrato ampiamente in fisica, perciò con il moto il comportamento dell'inerzia è quello di incamerare energia cinetica aggiuntiva nella massa, un po' come una batteria, ma perché succede questo? Perché la materia opponendosi vettorialmente con la sua inerzia al movimento, crea al suo interno un incremento aggiuntivo di energia cinetica, questo è il comportamento diverso che ha la particella con massa dalla particella senza massa (quindi senza inerzia), questo incremento è dato dalla velocità direzionale impressa alla materia, la materia naturalmente contrasta il moto sempre e solamente con la sua inerzia che gli si oppone in quella determinata direzione, essendo la velocità della luce la velocità limite per la materia è logico quindi corretto pensare che è proprio l'inerzia ad impedire alla massa di superare tale velocità proprio perché ha quella velocità la massa ha accumulato un energia cinetica a lei proporzionale che tende all'infinito ed è proprio questa energia cinetica infinita a frenare la massa solo nella direzione di avanzamento. Questa nuova visione dall'interno della materia che propongo, spiega il comportamento che la massa ha con la velocità, spiega anche come possa esistere l'Universo com'è oggi, infatti che il numero di stelle sia finito o infinito non importa, l'Universo può esistere senza problemi sempre. Questa visione dell'inerzia è completamente opposta al“principio di Mach” o alle teorie di Einstein che considerano l'inerzia il moto e il tempo tutti fenomeni relativi, generati da un inerzia, un tempo e una velocità assoluti, per loro la soluzione al problema era capire i fenomeni assoluti dell'universo non il singolo fenomeno, per me è importante capire il singolo fenomeno per capire poi l'Universo. Noi qui ci dobbiamo ricordare però che dire assoluto ad un fenomeno è come dire infinita ad una grandezza, detto questo non possiamo pretendere dopo di dare un numero a l'infinito o all'assoluto.
L'inerzia anche se tenuta in disparte è stata fondamentale per Einstein per accomunare la teoria della relatività ristretta a quella generale questo con il principio di equivalenza.
Questo principio è conosciuto come “l'esempio dell'ascensore di Einstein,” però questo è più un esperimento mentale che pratico, immaginiamo un ascensore fermo nello spazio, per comodità potrebbe essere un'astronave senza oblò, posizionato al suo interno c'è il nostro osservatore con altri oggetti di diversa massa, adesso immaginiamo che l'astronave è in volo libero per cercare di creare un ambiente privo di gravità, a questo punto al suo interno tutto inizia a fluttuare, ora immaginiamo che l'astronave non sia influenzata da forze gravitazionali esterne da falsare creando movimenti di marea. Iniziamo l'esperimento, quando l'astronave è in volo libero noi vediamo l'osservatore e le varie masse che fluttuano senza una regola, quando all'astronave viene aggiunta una spinta con un'accelerazione dal basso verso l'alto di un G (cioè 9,789 m/s) l'osservatore come tutti gli oggetti di diversa massa al suo interno saranno attratti allo stesso modo verso il pavimento, questo con la stessa forza che avrebbero sulla Terra con la gravità, con questa situazione l'osservatore se è all'oscuro dell'esperimento perché chiuso nell'astronave senza oblò non capirà mai se questa è un accelerazione di un G o se l'astronave è ferma sulla Terra.
Questo esperimento a mio parere se limitato al solo ragionamento mentale non c'è nulla da eccepire infatti l'osservatore se disattento non si accorge di nulla.
Noi questo lo possiamo verificare sperimentalmente; se un corpo fermo con una massa inerziale m lo sottoponiamo a prove misurate strumentalmente scopriamo che la sua massa gravitazionale m coincide, proprio secondo la legge di Newton e la formula risulterà , qui capiamo che anche due corpi di diverso materiale ma con la stessa massa gravitazionale hanno anche la stessa massa inerziale, per cui il rapporto m/m è una costante universale indipendente dal materiale, però per capire questo è stato determinante l'esperimento condotto per la prima volta da Eotvos nel 1889 il cui certifica che “la massa inerziale e la massa gravitazionale di un corpo fermo coincidono.”
Detto questo e letto il capitolo precedente capiamo perché nella meccanica newtoniana per “inerzia di un corpo” si intende la capacità del corpo di rispondere con una maggior o minore accelerazione alle forze che agiscono su di esso. Quindi la massa inerziale è la capacità della materia di opporre una resistenza al moto, questa resistenza avviene perché dando un moto alla massa, questa con la sua forza gravitazionale attrattiva oppone proporzionalmente una resistenza contraria direttamente proporzionale alla forza impressa ecco perché m/m hanno un rapporto costante.

Riflessione:

• puntualizzare sull'esperimento dell'astronave di Einstein, Galileo si accorgerebbe subito della differenza, perché noterebbe la stessa attrazione gravitazionale su tutti i corpo sottoposti ad una accelerazione di un G, a differenza della accelerazione di gravità Terrestre, perché una biglia di ferro avrebbe una diversa accelerazione di una piuma d'oca, diversamente nello spazio con un'accelerazione da un G avrebbero tutti la stessa accelerazione, ma se lo sottoponiamo l'esperimento a controlli accurati con strumenti adeguati troveremo delle piccole differenze con la gravità terrestre anche nel “vuoto”, infatti sull'astronave tutti gli oggetti avranno sempre la stessa accelerazione, ma se facciamo lo stesso esperimento sulla Terra nel vuoto qui scopriremo che ci sono delle minime differenze di accelerazione degli oggetti di diversa massa queste differenze però sono rilevabili solo strumentalmente. Questo argomento sarà ripreso e approfondito nel capitolo: “Massa, peso, gravità e gravitazione”. Qui sorge un dubbio se ci sono delle differenze anche se rilevabili solo strumentalmente vuol dire che il principio di equivalenza di Einstein non è corretto o quanto meno è impreciso. Essendo questo principio il fulcro portante della relatività generale, anche quest'ultima risulterà per lo meno imprecisa.

Ma Einstein con la formula E=mc sull'inerzia intendeva spingersi oltre, infatti nel 1905 scrisse su «Annalen der Physik», “Ist die Tràgheit eines Korpers von semem Energiegehalt abhangig?” tradotto “L'inerzia di un corpo dipende dal suo contenuto di energia?”questo articolo affermava: le radiazioni di una massa o la semplice energia cinetica trasporta anche l'inerzia; quindi l'inerzia è una componente dell'energia e non della massa, Einstein supportava tutto questo con vari passaggi matematici a sostegno delle sue idee sull'inerzia, adesso eviterò di riportare integralmente le sue formule matematiche, per non confondere ulteriormente le idee e distogliere il lettore dal vero problema, cosa è veramente l'inerzia.seguito riporto la sua conclusione dell'articolo sull'inerzia e l'energia:

“Se un corpo emette energia E sotto forma di radiazione, allora la sua massa diminuisce di E/cIl fatto che l'energia estratta dal corpo divenga energia di radiazione non cambia evidentemente le cose, ragion per cui siamo condotti alla conclusione più generale secondo cui:massa di un corpo è una misura del suo contenuto di energia; se l'energia cambia di una quantità E, allora la massa cambia nello stesso senso di una quantità E/ 9.10, dove l'energia si misura in erg e la massa in grammi.è impossibile che la teoria possa essere messa alla prova con successo nel caso di corpi il cui contenuto di energia è molto variabile (per esempio, i sali di uranio). Se la teoria corrisponde ai fatti, allora la radiazione trasporta inerzia tra corpi emettenti e corpi assorbenti”.

A mio parere forse è impreciso dire “Se un corpo emette energia E sotto forma di radiazione, allora la sua massa diminuisce di E/c” perché se questo fosse vero secondo la formula E=mc “la massa è energia”, sarebbe vero anche l'inverso: m=E/c cioè dalla sola energia si ricrea la massa, ma a noi questo non risulta proprio, nella realtà la sola Energia non “CREA” o ricrea dal nulla nessuna massa, l'energia scatenata dai fulmini o l'enorme energia impegnata negli acceleratori di particelle non hanno mai creato dal nulla un granello di materia, al massimo hanno trasformato due particelle esistenti in altre nuove particelle, ma questo succede sempre anche in natura, porto un esempio semplice, dai raggi gamma (radiazioni cosmiche molto energetiche) quando queste penetrano nella nostra atmosfera inevitabilmente hanno uno scontro con le particelle atmosferiche in questo caso dallo scontro si generano nuove particelle i pioni che sono particelle instabili e decadono in muoni anch'essi instabili che decadono in elettroni e neutrini, anche l'uomo quando creò il bronzo creò un nuovo elemento, fondendo il rame (dando calore/energia al metallo) nell'aggiungere lo stagno ha provocato uno scontro/unione di particelle creando non un metallo puro ma una lega, il bronzo, se al rame si aggiunge lo zinco si crea l'ottone. Queste nuove leghe il bronzo o l'ottone avranno caratteristiche molto diverse dal rame originale, da questi esempi possiamo capire che l'energia ha un legame molto stretto con la massa, può esserne una parte integrante e/o condiziona la materia trasformandola ma non può mai essere la “massa” ne tantomeno trasportare inerzia.
La definizione corretta è: “la massa può contenere energia” non l'energia è la massa.
Se proviamo ad analizzare in dettaglio l'inerzia vedremo che lei è una dote intrinseca solo della massa, studiando l'inerzia cinetica creata per esempio da una massa in movimento capiremo che l'inerzia non è legata all'energia ma è legata alla stessa massa; anche sottoponendo una massa ferma sovraccaricandola di energia termica per verificare la sua capacità d'inerzia di assorbire energia, qui capiamo che la massa con la sua inerzia via, via, che aumentiamo l'energia riesce ad accumulare energia termica aumentando le sue radiazioni in uscita che non saranno mai uguali a le radiazioni in entrata la differenza è l'inerzia della massa.
Qui Einstein afferma che in questo caso possiamo ipotizzare un “aumento di massa” (per questo argomento si continua nel capitolo successivo), ma anche questo non è vero, infatti noi sappiamo molto bene che se prendiamo una biglia di ferro e la sovraccarichiamo di energia qui potremmo anche arrivare alla sua fusione ma il suo peso come massa rimarrà invariato, se invece prendiamo la stessa biglia e la mandiamo ad altissima velocità allora la sua inerzia si caricherà e darà alla biglia anche senza fonderla una energia cinetica mille volte più grande in proporzione alla sua stessa massa.
Ecco perché affermo che l'energia non trasporta inerzia, ma l'inerzia è una componente intrinseca propria della sola massa, che può far accumulare tanta energia.

nota 1 il volo libero si verifica solo quando un'astronave è in orbita come un ipotetica stazione spaziale con una determinata velocità da farla rimanere sempre nella stessa orbita, così da non sentire ne spinte centrifughe ne una caduta libera. Erroneamente si dice volo libero o caduta libera, ma sono due cose diverse perché nella caduta libera si risente della forza di gravità.