Il concetto di forza

La sollecitazione che mette in movimento un oggetto è una forza. Le forze non solo fanno muovere gli oggetti, ma possono anche accelerarne o rallentarne il movimento, cambiarne la direzione, o deformarle. In generale quanto più intensa è la forza, tanto è maggiore il suo effetto.

La forza si manifesta nell’interazione di due o più corpi, sia a livello macroscopico, sia a livello delle particelle elementari. La sua caratteristica è quella di indurre una variazione dello stato di quiete o di moto dei corpi stessi; in presenza di più forze, è la risultante della loro composizione vettoriale a determinare la variazione del moto. La forza è descritta classicamente dalla seconda legge di Newton come derivata temporale della quantità di moto di un corpo rispetto al tempo.

In formule:

che, nel caso la massa del corpo sia costante, si riduce a:

La legge evidenzia immediatamente il carattere vettoriale della forza, in quanto la derivata di un vettore è ancora un vettore.

Una forza è spesso descritta come una spinta o una trazione. Le forze possono essere dovute a fenomeni quali la gravità, il magnetismo, o qualunque altro fenomeno che induca un corpo ad accelerare.

LE FORZE FONDAMENTALI

Nell’universo esistono delle forze fondamentali (o interazioni) alle quali si possono ricondurre tutte le altre forze che osserviamo. Gli scienziati hanno individuato quattro forze fondamentali. La forza gravitazionale tiene legati i satelliti attorno ai pianeti, i pianeti attorno al sole e le galassie tra loro.
La forza elettromagnetica è responsabile di tutti i fenomeni elettrici e magnetici e fa parte dell’elettromagnetismo. Le altre forze fondamentali della natura agiscono all’interno del nucleo degli atomi, e sono dette forza forte e forza debole.

La prima, secondo la teoria della relatività generale è un effetto della geometria dello spazio-tempo, mentre le altre tre interazioni, che sono delle teorie di gauge, sono dovute a scambi di particelle, dette bosoni di gauge, secondo la seguente tabella:

Forza elettromagnetica		Forza nucleare debole		Forza nucleare forte
Fotone		Bosoni vettori	W+, W –, Z	Gluoni	g

Il modello standard fornisce un riquadro coerente nel quale sono inserite le tre teorie di gauge, mentre ad oggi è stato impossibile ricondurre ad esso una versione quantistica della gravità, sebbene sia stata teorizzata una particella mediatrice (il gravitone) della quale non si hanno evidenze empiriche.

GRANDEZZE

In fisica esistono due tipi di grandezze: grandezze scalari e grandezze vettoriali.

GRANDEZZA SCALARE

Sono grandezze scalari massa, energia, tempo, temperatura a cui non si può associare una direzione, e sono individuate solo da un numero.

GRANDEZZA VETTORIALE

Sono grandezze vettoriali la velocità, l’accelerazione e la forza, per le quali bisogna indicare valore e direzione.

La forza è una grandezza vettoriale. Questo significa cioè che non è sufficiente un numero che ne indichi l’intensità, ma è necessario specificare anche la direzione lungo la quale la forza agisce ed il verso. Per stabilire l’effetto complessivo di più forze agenti su un oggetto, si devono considerare l’intensità e la direzione delle forze. Quando le forze agiscono nella stessa direzione, il loro effetto totale si ottiene per somma o sottrazione, ma se agiscono in direzioni diverse si deve disegnare un diagramma detto parallelogramma delle forze. La diagonale indica le direzione e l’intensità della forza complessiva.

La forza è una grandezza vettoriale, ovvero è descritta da un punto di vista matematico da un vettore (vedi immagine a fianco). Ciò significa che la misura di una forza, ovvero la sua intensità misurata in newton, rappresenta solo il modulo della forza, che per essere definita necessita anche della specificazione di un punto di applicazione (il punto del corpo dove la forza agisce), di una direzione (fascio di rette parallele) e di un verso (indicato dall’orientamento del vettore).

Il carattere vettoriale della forza si manifesta anche nel modo in cui è possibile sommare le forze. Come è possibile verificare sperimentalmente, due forze e con lo stesso punto di applicazione, ma direzioni diverse si sommano con la regola del parallelogramma (vedi figura a fianco). Ciò significa che se ad un corpo vengono contemporaneamente applicate le forze e , esso si muoverà lungo la direzione della diagonale del parallelogramma, come se ad esso fosse applicata solo la forza , detta, appunto somma o risultante.

La forza risultante è pari alla somma vettoriale delle altre due forze secondo la regola del parallelogramma.		Elementi di un vettore generico.

MISURE

Le forze si misurano in newton (N). Due forze di 3N agenti in senso opposto si annullano. Se una delle due è invece di 6N, la forza risultante è di 3N e agisce nel senso della più intensa.

Il newton (simbolo: N) è un’unità di misura della forza; fa parte delle unità di misura derivate del Sistema internazionale di unità di misura. Il newton prende il nome da Isaac Newton come riconoscimento per il suo lavoro nella meccanica classica. Venne adottato dalla Conférence générale des poids et mesures (conferenza generale dei pesi e delle misure) nel 1960. Viene definita come la quantità di forza necessaria per imprimere a un chilogrammo di massa un’accelerazione di un metro al secondo quadrato.

Le sue dimensioni in termini di unità base SI sono:

È inoltre l’unità di misura del peso, in quanto il peso è la forza che agisce tra due corpi a causa della gravità. Una massa di un chilogrammo, in prossimità della superficie terrestre, subisce una forza peso di circa 9,81 newton, anche se questo valore varia per pochi decimi di punto percentuale nei vari punti della superficie terrestre. Per contro, su un corpo con una massa di 102 grammi la terra esercita una forza all’incirca di un newton. 1 kg_p = 9,81 N

Da non confondere quindi il concetto di peso (che essendo una forza è espressa in newton) con la massa (espressa in chilogrammi). Formalmente quindi la frase «peso 70 kg» è scorretta: in realtà bisognerebbe dire «ho una massa di 70 kg», oppure «sul nostro pianeta peso 686,7 newton» oppure «sviluppo una forza-peso di 70 kg_p».

L’EQUILIBRIO

La condizione perché un punto materiale sia in equilibrio è che la somma di tutte le forze che gli sono applicate sia uguale a zero.

TIPI DI EQUILIBRIO

Si dice che un oggetto è in equilibrio quando tutte le forze che agiscono su di esso si bilanciano. Esistono tre tipi di equilibrio: stabile, instabile e neutro.
In equilibrio stabile un oggetto rimane vicino alla sua posizione iniziale anche se viene spinto o disturbato, e mantiene la stessa posizione di riposo.
Se un oggetto è in equilibrio instabile, la minima variazione delle forze gli farà assumere una nuova posizione, con un nuovo insieme di forze attive su di esso.
In equilibrio neutro, un oggetto può cambiare se viene spinto, ma quando torna in posizione di riposo su di esso agirà ancora lo stesso insieme di forze.

L’ATTRITO

L’attrito è la resistenza che un oggetto in movimento incontra quando si trova a contatto con una superficie.
E’ la forzache trasforma l’energia cinetica (di movimento) in un’altra forma di energia, il calore e fa rallentare l’oggetto.
E’ possibile ridurre l’attrito in diversi modi, per esempio lubrificando le superfici a contatto.
L’attrito può essere utile ma anche dannoso. E’ la forza che fa funzionare i freni dell’auto.

LE LEVE

Le leve sono macchine semplici che consentono di svolgere lavoro con minore energia.
Composte da una sbarra appoggiata su un fulcro, si distinguono in tre classi, a seconda della posizione di resistenza, potenza e fulcro.

Il piede di porco che si usa per sollevare oggetti pesanti è una leva semplice, ma le leve sono impiegate anche in macchine complesse. La potenza è amplificata se il suo punto di applicazione è più lontano dal fulcro del punto di applicazione della resistenza.
Le leve sono classificate in base alla posizione relativa di resistenza, potenza fulcro.

Nelle leve di primo genere (le pinze) il fulcro sta tra resistenza e potenza.

Nelle leve di secondo genere (lo schiaccianoci) la resistenza sta tra potenza e fulcro.

In quelle di terzo genere (la molletta per lo zucchero) la potenza viene applicata tra fulcro resistenza. E’ una leva che non amplifica la potenza, ma il movimento.

LA PRESSIONE

Si esercita una pressione su qualcosa quando vi si applica una forza. La quantità di pressione dipende da due fattori: l’intensità della forza e, cosa ancora più importante, l’area della superficie a cui è applicata. Più piccola l’area, maggiore la pressione. Questo principio spiega perché i tacchi a spillo forano i pavimenti di legno e per quale motivo le zampe larghe e piatte consentono ai cammelli di non sprofondare nella sabbia del deserto.

Spingendo su una puntina è possibile infilarla nel legno perchè la forza viene applicata a un’area molto piccola.

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