LE FORZE
Le forze
§La forza è una grandezza fisica che descrive l’interazione tra due corpi o sistemi.
Esistono due tipi di forze:
§ forze di contatto che si manifestano solo quando i corpi vengono a
contatto tra loro (es.: vento che spinge sulle vele, galleggiamento sull’acqua);
§ forze a distanza che si manifestano anche senza contatto (es.: forza di gravità durante un salto).
La forza di gravità che la Terra esercita su tutti i corpi in prossimità della sua superficie è chiamata forza-peso.
Una forza cambia la velocità
§Una forza non contrastata da altre forze:
§applicata a un corpo fermo, lo mette in movimento;
§applicata a un corpo in
movimento, ne cambia la sua velocità.
Più forze applicate allo stesso corpo possono
bilanciarsi e annullarsi tra loro.
Una forza è una grandezza vettoriale
§Per definire completamente una forza bisogna specificarne:
§l’intensità (o modulo);
§la direzione;
§il verso.
La forza totale a cui è
soggetto un corpo è detta forza risultante.
Quando su un corpo agiscono più forze, la forza totale è data dalla loro somma vettoriale.
Il dinamometro
§Il dinamometro è uno
strumento che misura le forze usando le proprietà delle molle.
Due forze hanno la stessa intensità se, applicate alla molla di un dinamometro,
provocano allungamenti uguali.
Il newton
Un newton è l’intensità della forza-peso con cui la Terra attrae un corpo di massa 102 g posto sulla sua superficie.
Nel Sistema Internazionale l’unità di misura della forza è chiamata newton (N).
Tarare un
dinamometro significa mettere in
corrispondenza ogni allungamento della molla con l’intensità della forza che lo provoca.
La forza-peso
La forza-peso che agisce su un corpo può cambiare da un posto a un altro.
La forza-peso è la forza di attrazione gravitazionale che la Terra esercita su tutti i corpi in prossimità della sua
superficie.
§ è una grandezza vettoriale;
§ il suo modulo è misurato con il dinamometro.
Esempio: salendo rispetto al livello del mare, la forza- peso diminuisce: a una quota di 10.000 m è inferiore del 3 per mille rispetto al livello del mare.
La massa
La massa di un corpo è sempre la stessa dappertutto.
La massa è una caratteristica del corpo.
§ è una grandezza scalare;
§ è misurata con la bilancia a bracci uguali.
Esempio: a una quota di 10 000 m la bilancia a bracci uguali misura esattamente lo stesso valore che indica al suolo.
Relazione tra forza-peso e massa
in un dato luogo la forza-peso è direttamente proporzionale alla massa m.
Esiste tuttavia una relazione tra forza-peso e massa:
§ direzione verticale;
§ verso che va dall’alto in basso;
§ modulo espresso dalla formula:
Il vettore ha:
F!p
F!p
Il valore di g sulla Terra
La bilancia pesapersone
misura la forza-peso in newton con il suo dinamomentro
interno, ma è tarata in modo da mostrare sul display il valore della massa in kg:
Dalla formula del modulo della forza-peso e dalla definizione del newton si ricava:
Poiché il valore di g varia da luogo a luogo normalmente si usano solo due cifre significative: g = 9,8 N/kg
1,00 N N
9,80 0,102 kg kg Fp
g = m = =
9,8 N/kg
p p
F F
m = g =
La forza elastica
La forza che una molla allungata o compressa esercita su qualunque corpo a contatto con una sua estremità è
chiamata forza elastica.
Una molla allungata o compressa tende a tornare alla sua lunghezza originaria, detta lunghezza a riposo.
I dati sperimentali mostrano che i valori della forza e i corrispondenti valori dell’allungamento della
molla sono direttamente proporzionali.
§ la relazione tra i moduli esprime la proporzionalità tra F e x mediante la costante k che è caratteristica di ogni molla (più k è grande, più la molla è rigida).
La legge di Hooke
Il comportamento di una molla è descritto dalla legge di Hooke:
La formula dice che:
Le forze di attrito
Le forze di attrito si oppongono sempre al movimento.
§ La forza di attrito radente si esercita tra due superfici (es.:
scarpa e terreno).
§ La forza di attrito viscoso si ha quando un corpo si muove in un fluido (es.: paracadutista nell’aria).
L’attrito può essere:
§ dannoso – si cerca di ridurlo con lubrificanti e studi aerodinamici;
§ utile – viene progettato intenzionalmente (es.: freni, scarpette da arrampicata).
La forza di attrito radente
A livello microscopico tutte le superfici presentano
irregolarità.
Due solidi a contatto
incontrano una resistenza a scorrere l’uno sull’altro a causa delle asperità
microscopiche delle loro superfici.
In particolare, si definisce:
§ attrito radente statico la resistenza al tentativo di mettere in moto un corpo da fermo;
§ attrito radente dinamico la resistenza alla prosecuzione del moto di un corpo.
Modulo massimo dell’attrito statico
L’esperienza dimostra che l’intensità massima della forza di attrito statico è data dalla formula:
Dove:
§ il coefficiente di attrito statico è un numero puro che dipende dai materiali a contatto;
§ la forza premente è la forza totale con cui il corpo preme
perpendicolarmente sulla superficie d’appoggio.
µs
§ dipende dai materiali delle due superfici a contatto;
§ non dipende dall’area di contatto;
§ è parallela alle due superfici;
§ ha verso tale da opporsi al movimento;
§ può assumere qualsiasi
intensità tra 0 N e un valore massimo;
§ ha intensità massima
direttamente proporzionale al modulo della forza
Sintesi forze di attrito statico/dinamico
§ dipende dai materiali delle due superfici a contatto;
§ non dipende dall’area di contatto;
§ è parallela alle due superfici;
§ ha verso opposto a quello del moto;
§ ha modulo direttamente
proporzionale a quello della forza premente.
Il coefficiente di attrito dinamico è sempre minore del coefficiente di attrito statico tra la stessa coppia di
materiali.
Perciò la forza necessaria a mettere in moto un oggetto
fermo è maggiore di quella per trascinarlo quando è già in movimento.