Insegnare fisica/Didattica tradizionale/I tre principi della dinamica

Il primo principio

Prime considerazioni sul principio di inerzia

Purtroppo l'apprendimento del primo principio da parte degli studenti è ostacolato da un gran numero di preconcetti, che peraltro, secondo molte ricerche, risultano profondamente radicate e strenuamente difese. Questi presupposti rendono, purtroppo, la semplice spiegazione a parole del primo principio del tutto inefficiente: molti studenti finiranno per imparare a memoria l'enunciato e, se posti davanti alla necessità di fare predizioni o di descrivere ciò che avviene in situazioni fisiche reali e concretamente accessibili a essi, tenderanno a tornare ai loro preconcetti e alle previsioni ingenue.

Se si vuole condurre la maggioranza degli studenti alla comprensione del principio di inerzia, occorre convincersi della necessità di presentare una vasta gamma di fenomeni, sia concreti sia ideali. Nell’esame di questi fenomeni gli studenti devono avere la possibilità di commettere errori e affrontare le contraddizioni che ne risultano in modo che, spinti da questi errori e contraddizioni, essi possano infine rivedere i propri preconcetti. Tale tipo di esperienza non può però essere fornita e sviluppata appieno in una breve lezione di recupero. All’inizio dovrebbero essere introdotte le idee e le prime esperienze, mentre si continua a sviluppare l’argomento senza pretendere di padroneggiarlo completamente fin dal primo incontro. In seguito è possibile aiutare la maturazione e la comprensione delle idee, riprendendo lo stesso tema diverse volte con applicazioni qualitative del principio di inerzia in contesti sempre più ricchi ed elaborati, man mano che si procede nello studio della materia.

Gli oggetti non vengono "tirati indietro" quando sono accelerati

Consideriamo le seguenti situazioni: (1) una palla è appoggiata su un carrello, e quest'ultimo viene accelerato partendo da fermo; (2) un pendolo è appeso al soffitto di un veicolo accelerato; (3) una persona è seduta in un'automobile che inizia ad accelerare.

Se si interroga riguardo a uno di questi casi, un gran numero di studenti afferma che la persona, il peso del pendolo, la palla vengono "tirati indietro" quando il veicolo accelera, ma non è detto che in un diagramma di forze disegnino una forza in quella direzione. Tutte e tre queste situazioni non sono banali, e almeno una dovrebbe essere discussa in classe.

Per capire che cosa è un sistema di riferimento inerziale, bisogna iniziare a capire cosa non è, e situazioni come quelle presentate in precedenza costituiscono una prima opportunità per chiarire questo punto nella dinamica rettilinea.

Nel caso della palla sul carrello (che può essere assegnato come esperimento da svolgere a casa), la maggior parte degli studenti è sorpresa nel vedere che, sebbene la palla rotoli all’indietro rispetto al carrello, essa si muove in avanti rispetto al suolo.

Nel caso del pendolo, una dimostrazione sperimentale eccellente e molto semplice può essere ottenuta accelerando, con la propria mano, l’estremità superiore del filo del pendolo stesso. Gli studenti possono vedere il punto di sospensione muoversi in avanti mentre il pesetto mantiene la propria posizione relativamente al pavimento. Essi iniziano a riconoscere che il pesetto non è trascinato all’indietro rispetto al pavimento, e che l’accelerazione del pesetto inizia solo quando la forza esercitata dal filo acquisisce una componente orizzontale non nulla.

Dopo aver esaminato i casi 1 e 2 dal punto di vista di un osservatore esterno, gli studenti possono esaminare il caso 3 in cui sono protagonisti, come persone nell’automobile che accelera. Essi dovrebbero essere indotti a riconoscere esplicitamente che non vengono tirati all’indietro, ma che avvertono invece la forza esercitata su di essi dallo schienale del sedile mentre quest’ultimo è accelerato; proprio come il peso del pendolo non risente di alcuna forza orizzontale e di nessuna accelerazione fino a che il filo inclinato non inizia a tirarlo orizzontalmente.

Il terzo principio

Si veda Il disegno di diagrammi di forza.