Introduzione alle principali leggi della fisica

Nel corso degli anni, una cosa che gli scienziati hanno scoperto è che la natura è generalmente più complessa di quanto non gli diamo credito. Le leggi della fisica sono considerate fondamentali, sebbene molte di esse si riferiscano a sistemi idealizzati o teorici che sono difficili da replicare nel mondo reale.

Come altri campi della scienza, le nuove leggi della fisica si basano o modificano le leggi esistenti e la ricerca teorica. La teoria della relatività di Albert Einstein, che ha sviluppato nei primi anni del 1900, si basa sulle teorie sviluppate per la prima volta più di 200 anni prima da Sir Isaac Newton.

Legge della gravitazione universale

Il rivoluzionario lavoro di Sir Isaac Newton in fisica fu pubblicato per la prima volta nel 1687 nel suo libro "I principi matematici della filosofia naturale", comunemente noto come "I Principia". In esso, ha delineato le teorie sulla gravità e sul movimento. La sua legge di gravità fisica afferma che un oggetto attira un altro oggetto in proporzione diretta alla loro massa combinata e inversamente correlato al quadrato della distanza tra loro.

Tre leggi del movimento

Le tre leggi del moto di Newton, che si trovano anche in "I Principi", regolano il modo in cui il moto degli oggetti fisici cambia. Definiscono la relazione fondamentale tra l'accelerazione di un oggetto e le forze che agiscono su di esso.

• Prima regola: Un oggetto rimarrà a riposo o in uno stato di movimento uniforme a meno che tale stato non venga modificato da una forza esterna. 
• Seconda regola: La forza è uguale alla variazione del momento (velocità dei tempi di massa) nel tempo. In altre parole, il tasso di variazione è direttamente proporzionale alla quantità di forza applicata. 
• Terza regola: Per ogni azione in natura c'è una reazione uguale e contraria. 

Insieme, questi tre principi che Newton ha delineato formano la base della meccanica classica, che descrive come i corpi si comportano fisicamente sotto l'influenza di forze esterne.

Conservazione di massa ed energia

Albert Einstein introdusse la sua famosa equazione E = mc2 in una rivista del 1905 intitolata "Sull'elettrodinamica dei corpi in movimento". L'articolo presentava la sua teoria della relatività speciale, basata su due postulati:

• Principio di relatività: Le leggi della fisica sono le stesse per tutti i sistemi di riferimento inerziali. 
• Principio di costanza della velocità della luce: La luce si propaga sempre attraverso un vuoto a una velocità definita, che è indipendente dallo stato di movimento del corpo emittente.

Il primo principio dice semplicemente che le leggi della fisica si applicano ugualmente a tutti in tutte le situazioni. Il secondo principio è quello più importante. Stabilisce che la velocità della luce nel vuoto è costante. A differenza di tutte le altre forme di movimento, non viene misurato in modo diverso per gli osservatori in diversi sistemi di riferimento inerziali.

Leggi della termodinamica

Le leggi della termodinamica sono in realtà manifestazioni specifiche della legge di conservazione dell'energia di massa in relazione ai processi termodinamici. Il campo fu esplorato per la prima volta nel 1650 da Otto von Guericke in Germania e Robert Boyle e Robert Hooke in Gran Bretagna. Tutti e tre gli scienziati hanno usato le pompe per vuoto, che von Guericke ha aperto la strada, per studiare i principi di pressione, temperatura e volume.

• La legge zero della termodinamica rende possibile la nozione di temperatura.
• La prima legge della termodinamica dimostra la relazione tra energia interna, calore aggiunto e lavoro all'interno di un sistema.
• La seconda legge di termodinamica si riferisce al flusso naturale di calore all'interno di un sistema chiuso.
• La terza legge di termodinamica afferma che è impossibile creare un processo termodinamico perfettamente efficiente.

Leggi elettrostatiche

Due leggi della fisica regolano la relazione tra particelle cariche elettricamente e la loro capacità di creare forza elettrostatica e campi elettrostatici. 

• Legge di Coulomb prende il nome da Charles-Augustin Coulomb, un ricercatore francese che lavora nel 1700. La forza tra due cariche di punti è direttamente proporzionale alla grandezza di ciascuna carica e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra i loro centri. Se gli oggetti hanno la stessa carica, positiva o negativa, si respingono a vicenda. Se hanno cariche opposte, si attrarranno l'un l'altro.
• Legge di Gauss prende il nome da Carl Friedrich Gauss, un matematico tedesco che ha lavorato all'inizio del XIX secolo. Questa legge afferma che il flusso netto di un campo elettrico attraverso una superficie chiusa è proporzionale alla carica elettrica chiusa. Gauss ha proposto leggi simili relative al magnetismo e all'elettromagnetismo nel suo insieme.

Oltre la fisica di base

Nel regno della relatività e della meccanica quantistica, gli scienziati hanno scoperto che queste leggi si applicano ancora, sebbene la loro interpretazione richieda un certo raffinamento da applicare, risultando in campi come l'elettronica quantistica e la gravità quantistica.