LE FORZE
Le forze si dividono in due grandi categorie:
- forze di contatto: sono forze che agiscono per contatto diretto, es.: dare un calcio ad un
pallone, spingere un carrello, etc.
- forze a distanza: sono forze che agiscono senza nessun tipo di apparente di contatto, es.:
forza di gravità, forza magnetica, etc.
Un importante effetto che le forze producono è il cambiamento di velocità di un corpo. Un corpo
può cambiare la sua velocità solo se interviene una forza esterna, mentre se un corpo è fermo resta
fermo finché una forza esterna non interviene per metterlo in moto.
Definizione operativa
Una forza rappresenta una grandezza fisica vettoriale, la cui intensità è misurata con uno strumento
chiamato dinamometro.
L’unità di misura delle forze è il Newton (N) che rappresenta una unità derivata (N = kg·(m/s2))
La forza è un vettore perché oltre all’intensità è necessario specificare anche direzione e verso.
Il dinamometro è uno strumento per la misurazione delle forze. La sua struttura è molto semplice
poiché è costituito da una molla con una scala graduata in newton. Poiché secondo la legge di
Hooke, la deformazione elastica di una molla è proporzionale alla forza applicata, una misura
dell'allungamento x fornisce indirettamente una misura della forza F,
.
La sensibilità del dinamometro dipende dalla costante elastica k della molla:
con piccoli valori di k si ha un dinamometro più sensibile; se ad esempio k=10 N/m, una
forza di 1 N allungherà la molla di x= 1N/10 N/m = 0.1 m = 10 cm. Sulla scala graduata di
questo dinamometro un intervallo di un centimetro corrisponderà a una variazione di 0,1 N.
per grandi valori di k il dinamometro è invece meno sensibile; se ad esempio k=200 N/m,
una forza di 1 N allungherà la molla di x= 1N/200 N/m = 0,005 m = 5 mm. Sulla scala
graduata di questo dinamometro un intervallo di un centimetro corrisponderà a una
variazione di 2 N.
Leggi di forza
La forza peso
Sulla Terra, ogni corpo subisce una forza-peso, che è la forza di gravità con cui è attratto dalla
Terra, quindi questo tipo di forza agisce a distanza.
La forza-peso e la massa sono grandezze diverse:
- la forza-peso è un vettore, la cui intensità è misurata con il dinamometro, mentre la
direzione è quella verticale e il verso rivolto in direzione del centro della Terra.
- la massa è uno scalare ed esprime la quantità di materia di cui è costituito un corpo, si
misura con una bilancia a piatti uguali
mentre la massa non cambia mai qualsiasi parte dell’universo noi andiamo, la forza-peso invece
cambia.
Come è facilmente dimostrabile, in un dato luogo, la forza-peso di un corpo è direttamente
proporzionale alla sua massa. Il fattore di proporzionalità è chiamato accelerazione di gravità e si
indica con il simbolo g , tale valore cambia da punto a punto sulla Terra, in particolare al livello del
mare vale circa 9,8 N/kg
FP=g·m
1
Le forze di attrito
La forza d'attrito (o attrito) è una forza di contatto fra due superfici, ed è sempre diretta in senso
contrario al moto. La forza d'attrito che si manifesta tra superfici in quiete tra loro è detta di attrito
statico, tra superfici in moto relativo si parla invece di attrito dinamico.
Secondo l'interpretazione classica, esistono tre diversi tipi di attrito:
attrito radente: dovuto allo strisciamento, che avviene su superfici piane;
attrito volvente: dovuto al rotolamento, che avviene su superfici curve;
attrito viscoso: relativo a un corpo immerso in un fluido.
Si è dimostrato che l'attrito è dovuto soprattutto a fenomeni di adesione (legami chimici) tra le
molecole che compongono le superfici a contatto.
Le forze di attrito volvente sono in generale molto minori rispetto a quelle dovute all'attrito radente.
Da ciò derivano le applicazioni di ruote o rulli per il trasporto di oggetti pesanti che, se trascinati,
richiederebbero molta più forza per essere spostati.
Attrito radente
L’attrito radente si presenta quando ci sono due corpi a contatto che strisciano. Possiamo avere due
tipi diversi di attrito radente:
- attrito radente statico, quando il corpo non si muove, ma oppone comunque una certa
resistenza ad essere mosso, es.: quando si vuole spingere un grossa massa, come un auto,
bisogna produrre un notevole sforzo fisico per smuoverla.
- Attrito radente dinamico, si ha quando il corpo è già in moto, ma continua a opporre una
certa resistenza.
Mentre l’attrito dinamico ha un valore costante che non dipende dalle condizioni di moto, l’attrito
statico risulta crescente con la forza applicata, fino ad un valore massimo oltre il quale il corpo
inizia a muoversi e si passa così ad un attrito dinamico.
Fa
Fp
kr(statico)·FP
v
F
kr(dinamico)·FP
La relazione fisica, di tipo sperimentale, che è alla base dell’attrito radente è:
Fa=kr·FP
(1)
2
Dalla (1) si osserva che la forza di attrito Fa è direttamente proporzionale alla forza-peso del corpo e
direttamente proporzionale ad una costante kr chiamata coefficiente di attrito radente.
Il coefficiente d'attrito è una grandezza che non ha dimensioni fisiche (dimensionale) e dipende dai
materiali delle due superfici a contatto e dal modo in cui sono state lavorate. Il coefficiente di attrito
statico krs è sempre maggiore o uguale al coefficiente d'attrito dinamico krd per le medesime
superfici. Dal punto di vista microscopico, esso è dovuto alle forze di interazione tra gli atomi dei
materiali a contatto.
La forza di attrito definita dall'eq. (1) rappresenta la forza di attrito massima che si manifesta nel
contatto tra due superfici. Se la forza motrice F è minore di krs·Fp, allora l'attrito è pari a F e il corpo
non si muove; se F supera krs·Fp, il corpo inizia a muoversi; per valori di F ancora maggiori, l'attrito
(dinamico) è sempre costante e pari a krd ·Fp.
Dalla (1) si evidenzia che la forza di attrito in nessuna maniera dipende dalla superficie di contatto.
Alcuni valori del coefficiente di attrito radente.
Superfici
krs (statico) krd (dinamico)
Legno - Legno
0.5
0.3
Acciaio - Acciaio
0.78
0.42
Acciaio - Acciaio lubrificato 0.11
0.05
Acciaio - Teflon
0.04
0.04
Acciaio - Ghiaccio
0.027
0.014
Acciaio - Aria
0.001
0.001
Gomma - asfalto (asciutto)
1.0
0.8
Gomma - asfalto (bagnato)
0.7
0.6
Vetro - Vetro
0.9 - 1.0
0.4
Legno Sciolinato - Neve
0.1
0.05
Attrito volvente
L'attrito volvente si presenta quando un corpo cilindrico o una ruota rotola senza strisciare su una
determinata superficie. Il rotolamento è reso possibile dalla presenza di attrito radente tra la ruota e
il terreno; se questo attrito non ci fosse, o fosse minimo (come nel caso di un terreno ghiacciato), la
ruota striscerebbe senza riuscire a rotolare.
La legge fisica alla base dell’attrito volvente è analoga a quella vista per l’attrito radente:
Fa= k·FP
Alcuni valori del coefficiente di attrito volvente.
Superfici
kv(mm)
v
Fa
Fp
F
Legno - Legno
0.5
Acciaio - Acciaio
0.05
Gomma - Asfalto
75
A parità delle altre condizioni, la resistenza opposta dall'attrito volvente è tanto minore quanto
maggiore è il raggio di curvatura del corpo che rotola. La relazione precedente allora si modifica nel
seguente modo:
Fa= (kv·FP)/R
3
Attrito viscoso
Quando un corpo si muove all'interno di un fluido (liquido o gas) è soggetto ad una forza di attrito
dovuta all'interazione del corpo con le molecole del fluido. Tale forza è proporzionale ad un
coefficiente di attrito viscoso e alla velocità relativa fra corpo e fluido.
A seconda della velocità la legge fisica che esprime la forza viscosa è:
Fa= kvisc·v
(per moti a basse velocità)
Fa= kvisc·v2
(per moti ad alte velocità)
La forza elastica
Una molla ad elica, quando è sottoposta ad una forza esterna di intensità tale da non deformarla in
modo permanente, cessata la sollecitazione, riprende la forma iniziale grazie all’azione di una forza
di richiamo; in tal caso si dice che il comportamento della molla è elastico e la forza viene definita
forza elastica Fe. Se la molla viene sospesa verticalmente e si appende ad essa un corpo di massa
m, la molla si allunga fino a quando la forza peso P del corpo viene equilibrata dalla forza elastica.
In queste condizioni P = Fe e pertanto il valore di P costituisce una misura di Fe. Si verifica che,
appendendo corpi di massa differente, gli allungamenti della molla sono direttamente proporzionali
ai pesi P dei corpi. Quindi:
La costante di proporzionalità k viene definita costante di elasticità della molla; è una proprietà
caratteristica del tipo di molla e del materiale di cui è fatta e le sue unità di misura sono [N/m].
4
