Uno degli aspetti piu’ importanti della fisica
sperimentale e’ la realizzazione di misure.
Alcuni esempi di misure che possiamo fare tutti i giorni
sono le misure di lunghezza, di peso e di tempo.
Le leggi fisiche sono delle relazioni che legano fra loro
le varie grandezze misurate. Queste relazioni permettono
di calcolare una grandezza incognita, una volta che siano
note le altre.
Un esempio molto banale e’ questo: posso
“prevedere” che se faro’ una passeggiata lunga
1km alla velocita’ di 4km/h impieghero’ un quarto d’ora
di tempo. E’ importante sottolineare che queste misure
(velocita’, lunghezza, tempo) dipendono dal sistema di
riferimento in cui mi trovo. Supponiamo che io sia
sull’ultimo vagone di un treno, lungo 1km, e che decida
di andare sul primo vagone. Se percorro il treno alla
velocita’ di 4km/h impieghero’ un quarto d’ora. Se il
treno e’ in moto alla velocita’ di 100km/h, un
osservatore in una stazione, mi vedrebbe sfrecciare alla
velocita’ di 104km/h e in un quarto d’ora avro’ percorso
(per lui) piu’ di 25km.
E’ immediatamente chiaro che ho due sistemi di
riferimento (il treno e la stazione) rispetto ai quali le
misure di lunghezza e di velocita’ sono discrepanti (il
tempo, in questo caso, viene misurato allo stesso modo
nei due sistemi).
Le leggi fisiche, in generale, hanno una formulazione
differente a seconda del sistema di riferimento in cui
vengono utilizzate.
Per esempio in un sistema di riferimento rotante e’ ben
diverso da uno fisso, come ben sanno gli astronauti che
girano attorno alla Terra. Spesso si vedono le immagini
di alcune capsule in cui sembra non esserci la forza di
gravita’, ma all’altezza della MIR la gravita’ (in un
sistema di riferimento non rotante) sarebbe poco minore
di quella che c’e’ al livello del suolo: l’assenza di
gravita’ e’ dovuta al sistema di riferimento rotante in
cui si trova la stazione spaziale.
La scoperta dei sistemi di riferimento inerziali avviene
da parte di Galileo, insieme alle prime formulazioni
delle leggi della meccanica.
Galileo, infatti, dopo aver intuito le piu’ semplici
leggi della fisica, comprende subito che esse valgono
solo in una certa classa di sistemi di riferimento: i
sistemi di riferimento inerziali. Essi sono quelli in
movimento uniforme e rettilineo tra loro. L’esempio
illuminante di Galileo e’ quello di una nave, che si
muova dolcemente su di un mare calmissimo. Un esempio
forse a noi piu’ familiare e’ quello della partenza di un
treno affianco a quello in cui siamo seduti noi: se lo
guardiamo mouversi possiamo avere l’impressione di essere
noi a partire in direzione opposta.
Insomma noi non siamo in grado di distinguere in quale
sistema di riferimento sia, poiche’ i due sono
“equivalenti”. Ben diverso il caso in cui il
treno in cui viaggiamo stia frenendo bruscamente:
in questo caso il sistema di riferimento non e’ inerziale
e le leggi che governano il moto su di esso cambiano,
poiche’ compare una forza in piu’ che ci “spinge in
avanti”.
Ricapitolando i sistemi inerziali sono quei sistemi in
cui la formulazione delle leggi fisiche e’
particolarmente semplice. Essi sono tutti in moto
rettilineo uniforme fra loro.
Nei sistemi non inerziali la formulazione delle leggi
fisiche e’ leggermente diversa.