Descrizione

Il pendolo di Newton aiutò a comprendere le leggi dell'urto elastico prima che venissero enunciati i principi della dinamica. Newton non ebbe niente a che fare con l'ideazione di questo dispositivo che fu costruito da Robert Hooke e fu da lui utilizzato per dimostrazioni nelle riunioni della Royal Society nel novembre del 1666.

È un dispositivo composto da alcune sferette in acciaio (di solito cinque), tutte aventi la stessa massa e ciascuna sospesa mediante due fili, come si vede nelle foto. Le sfere sono a contatto sulla stessa linea orizzontale e si possono muovere sul piano verticale individuato da tale linea. Se esse sono ben allineate si ottengono urti centrali in rapida successione.

Pendolo di Newton. Immagine Lab2Go (Liceo Albertelli, Roma).

Pendolo di Newton (Liceo Albertelli, Roma).

Sempre tenendo presente che gli urti reali non sono perfettamente elastici, il pendolo di Newton consente di dare un'idea sulla conservazione della quantità di moto, la conservazione dell'energia meccanica e mostra gli urti (quasi) elastici.

La prima sfera, colpendo la seconda con una velocità $v$, trasferisce quasi tutta la sua velocità alla seconda (dato che hanno la stessa massa). A sua volta, la seconda trasmette la velocità alla terza, e così via sino all'ultima. Questa si mette in moto quasi con la stessa velocità che aveva la prima. Quando l'ultima sfera viene colpita, essa inizia a muoversi con una velocità un po' minore della velocità $v$ che aveva la prima sfera; si solleva, rallentando, sino a fermarsi ad una certa altezza. La sua energia cinetica si è trasformata quasi interamente in energia potenziale gravitazionale. Quindi riprende il suo moto invertendo il cammino: la sua energia potenziale si ritrasforma in energia cinetica. A questo punto l'ultima sfera trasferisce, tramite le sfere centrali, una velocità alla prima sfera che è visibilmente minore di quella iniziale. Quello che si osserva è che tra la prima sfera e l'ultima ci sono delle altre sfere che che trasmettono per urti successivi la quantità di moto e l'energia cinetica, le quali diminuiscono nel tempo. Chi non ha mai visto il pendolo in funzione resta sorpreso dal fatto che se si prendono inizialmente due sfere alla fine partono due sfere. Questo dimostra che gli urti tra le sfere intermedie sono successivi; se fossero come un corpo rigido dovrebbe accadere che l'ultima sfera si muoverebbe con velocità quasi doppia, secondo la teoria dell'urto elastico. Ovviamente lo stesso accade con tre sfere prese insieme inizialmente: partono le tre sfere finali e il ciclo si ripete rallentando nel tempo fino a fermarsi.
In un catalogo della Leybold, oltre all'uso del pendolo di Newton si suggerisce di eseguire l'esperimento visibile nella foto che segue. Si osserva chiaramente che gli urti tra le sfere avvengono in successione.

Immagine da Catalogo Leybold Didactic GmbH