Il mondo è disordinato. Le idealizzazioni rendono la fisica semplice

A volte l’universo è semplicemente troppo complicato da analizzare.

Diamine, se prendi una pallina da tennis e la lanci attraverso la stanza, anche quello è praticamente troppo complicato. Dopo aver lasciato la tua mano, la palla ha un’interazione gravitazionale con la Terra, che la fa accelerare verso il suolo. La palla gira mentre si muove, il che significa che potrebbe esserci più resistenza per attrito su un lato della palla che sull’altro. La palla si scontra anche con alcune molecole di ossigeno e azoto nell’aria e alcune di queste le molecole finiscono per interagire con ancora di più aria. L’aria in sé non è nemmeno costante: la densità cambia man mano che la palla si sposta più in alto e l’aria potrebbe essere in movimento. (Normalmente lo chiamiamo vento.) E una volta che la palla colpisce il suolo, anche il pavimento non è perfettamente piatto. Sì, sembra piatto, ma è sulla superficie di un pianeta sferico.

Ma non tutto è perduto. Possiamo ancora modellare questa pallina da tennis lanciata. Tutto ciò di cui abbiamo bisogno sono alcune idealizzazioni. Queste sono approssimazioni semplificatrici che trasformano un problema impossibile in un problema risolvibile.

Nel caso della pallina da tennis, possiamo assumere che tutta la massa sia concentrata in un unico punto (in altre parole, che la pallina non abbia dimensioni reali) e che l’unica forza che agisce su di essa sia la forza gravitazionale costante verso il basso . Perché va bene ignorare tutte quelle altre interazioni? È perché semplicemente non fanno una differenza significativa (o anche misurabile).

È legale anche nel tribunale di fisica? Bene, la scienza riguarda il processo di costruzione di modelli, inclusa l’equazione per la traiettoria di una pallina da tennis. Alla fine della giornata, se le osservazioni sperimentali (dove atterra la pallina) concordano con il modello (la previsione di dove atterrerà), allora siamo a posto. Per l’idealizzazione della pallina da tennis, tutto funziona molto bene. In effetti, la fisica di una palla lanciata diventa una domanda di prova in una lezione introduttiva di fisica. Altre idealizzazioni sono più difficili, come cercare di determinare la curvatura della Terra semplicemente guardando questo lunghissimo terminal dell’aeroporto di Atlanta. Ma i fisici fanno sempre questo genere di cose.

Forse l’idealizzazione più famosa è stata fatta da Galileo Galilei durante il suo studio sulla natura del movimento. Stava cercando di capire cosa sarebbe successo a un oggetto in movimento se non avessi esercitato una forza su di esso. A quel tempo, quasi tutti seguivano gli insegnamenti di Aristotele, il quale diceva che se non eserciti una forza su un oggetto in movimento, si fermerà e rimarrà a riposo. (Anche se il suo lavoro aveva circa 1.800 anni, la gente pensava che Aristotele fosse troppo figo per sbagliarsi.)

Ma Galileo non era d’accordo. Pensava che avrebbe continuato a muoversi a una velocità costante.

Se vuoi studiare un oggetto in movimento, devi misurare sia la posizione che il tempo in modo da poter calcolare la sua velocità, o il suo cambiamento di posizione diviso per il cambiamento nel tempo. Ma c’è un problema. Come si misura con precisione il tempo per gli oggetti che si muovono ad alta velocità su brevi distanze? Se lasci cadere qualcosa anche da un’altezza relativamente piccola, come 10 metri, ci vogliono meno di 2 secondi per raggiungere il suolo. E intorno all’anno 1600, quando Galileo era in vita, era un intervallo di tempo piuttosto difficile da misurare. Così, invece, Galileo guardò una palla che rotolava lungo un binario.

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