Forza
CONCETTO DI FORZA
E EQUILIBRIO,
PRINCIPI DELLA
DINAMICA
• Cos’è una forza ?
• la forza è una grandezza che agisce su un
corpo cambiando la sua velocità e
provocando una deformazione sul corpo
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Esempi di forze
Un ragazzo che trattiene un aquilone con un filo esercita una forza
concentrata su una superficie molto più piccola di quella della
superficie dell’aquilone, si dice in questo caso che la forza è
concentrata in un punto.
Un vaso di fiori è poggiato sul davanzale di una finestra. Il
davanzale esercita un azione distribuita su tutto il vaso, in questo
caso la forza è ripartita su una superficie e trattiene il vaso.
Forza
• Esiste un’unica tipologia di forza ?
• Esistono due tipologie di forza: forze a
contatto, dove è necessario un contatto tra
il corpo che esercita la forza e chi la
subisce e forze a distanza che fanno
sentire la loro influenza senza contatto tra
i corpi
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Caratteristiche della
forza
Forze fondamentali
Unità di misura: N ( Newton
) , grandezza derivata 1 N =
1 m / s2 ⋅ Kg
La forza è un vettore quindi
possiede: modulo,verso e
direzione
Quando si applica una forza
ad un corpo viene applicata
ad un unico punto chiamato
baricentro
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Esistono alcuni tipi di
forza che agiscono a
distanza e sono
responsabili di buona
parte dei fenomeni fisici.
Esse prendono il nome di
forze fondamentali: forza
gravitazionale, forza
nucleare forte, forza
elettromagnetica, forza
nucleare debole
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Forze fondamentali: forza
gravitazionale
Forze fondamentali: forza
elettromagnetica
E’ una forza attrattiva che si
esercita tra due masse. La
forza ha un intensità piccola
e diventa importante
quando le masse sono molto
differenti tra di loro, come
ad esempio la terra e una
mela. La forza gravitazionale
tra due masse di un Kg è
6,7⋅10-11 N
E’ dovuta al fatto che dentro
ogni corpo ci sono delle cariche
elettriche positive e negative.
La forza elettromagnetica può
essere sia attrattiva sia
repulsiva ed è la causa di tutti i
fenomeni elettrici e magnetici.
E’ responsabile della struttura
degli atomi e della materia. E’
molto più forte di quella
gravitazionale
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Forze fondamentali:
forza nucleare debole
Forze fondamentali: forza
nucleare forte
E’ meno intensa della
forza nucleare forte e di
quella elettromagnetica
ma maggiore di quella
gravitazionale. E’
responsabile del
decadimento radioattivo.
La forza debole e la forza
elettromagnetica sono
aspetti diversi della stessa
iterazione
E’ la più intensa che
esiste in natura, agisce
dentro i nuclei atomici,
ed è responsabile delle
reazioni nucleari.
Agisce su distanze
molto piccole.
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Le forze di attrito si
verificano quando si
vogliono muovere due
corpi a contatto.
L’attrito è dovuto al
fatto che le superfici a
contatto sono
irregolari e ruvide
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Forza di attrito statico
Forze di attrito
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E’ la forza di attrito da vincere per
muovere un corpo, è proporzionale
alla forza di primo distacco, ossia la
forza da applicare per vincere
l’attrito. E’ una forza distribuita su
tutta la superficie del corpo.
0 ≤ Fas ≤ ks ⋅ FP con Fp = forza che
agisce sul corpo , Fas = forza di
attrito statico , ks = coefficiente di
attrito statico.
Il valore del coefficiente di attrito
dipende dalla natura delle superfici di
contatto
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Forza di attrito radente
Forza di attrito volvente
E’ la forza di attrito presente su un corpo in movimento
che striscia su una superficie, è una forza distribuita
Far = kr ⋅ Fp con Far = forza di attrito radente , Fp = forza
applicata e kr = coefficiente di attrito radente
Il valore del coefficiente di attrito dipende dalla natura
delle superfici di contatto
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E’ la forza di attrito presente su un
corpo in movimento che rotola su
una superficie, è una forza
distribuita
Fav = kv ⋅ Fp con Far = forza di
attrito radente , Fp = forza applicata
e
kr = coefficiente di attrito
radente
Il valore del coefficiente di attrito
dipende dalla natura delle superfici
di contatto e dalle dimensioni del
corpo che rotola. Il cuscinetto a
sfera è un dispositivo che trasforma
l’attrito radente in attrito volvente
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Forza di attrito viscoso o
del mezzo
E’ la forza di attrito presente su un
corpo in movimento all’interno di un
mezzo gassoso o fluido
La forza di attrito del mezzo dipende
dalla sua superficie e dalla densità del
mezzo in cui si muove. Inoltre
aumenta all’aumentare della velocità
del corpo.
La relazione di proporzionalità tra forza
di attrito e velocità è lineare per
piccole velocità e parabolica per alte
velocità: Fa = h ⋅ v2 o Fa = h ⋅ v
Equilibrio
• Cosa si intende per equilibrio di
un corpo ?
• Un corpo è in equilibrio quando al corpo
stesso non vengono applicate forze, ossia
la risultante delle forze è nulla
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Esempio di corpo in equilibrio
Un corpo poggiato su un
tavolo è in equilibrio
poiché il tavolo esercita
una forza ( reazione
vincolare ) opposta alla
forza di gravita che
spinge il corpo verso il
centro della Terra.
Rv + P = 0 con Rv =
reazione vincolare del
tavolo e P = forza peso
del corpo
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Vincolo di un corpo
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Si chiama vincolo un
oggetto che esercitando
una forza, impedisce ad
un altro oggetto di
effettuare certi movimenti
nello spazio.
Le forze esercitate dai
vincoli si chiamano
reazioni vincolari
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Moto di un corpo su piano
inclinato
Punto materiale e corpo rigido
Si chiama punto materiale
un oggetto di dimensioni
molto piccole rispetto al
contesto cui lo riferiamo
Un corpo rigido è un
corpo non deformabile da
una forza.
Il punto materiale viene
usato per trattare le forze
che agiscono sui corpi
rigidi, si prende in
considerazione un punto
chiamato baricentro del
corpo
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Quando un corpo si trova su un piano inclinato si ha
l’azione della forza peso e quella della reazione vincolare
del piano inclinato.
Se la componente della forza peso nella direzione del
piano inclinato è sufficiente a vincere la forza di attrito il
corpo si muove.
Si dimostra: PP-INCLINATO = (p ⋅ h) / l
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Osservazione
Forza equilibrante
Se si svita un bullone usando una chiave inglese si osserva che:
Una persona adulta fa ruotare il bullone più facilmente di un bambino
perché esercita una forza maggiore
Una forza applicata in un punto lontano dal bullone lo fa ruotare con più
facilità rispetto ad una forza applicata vicino
Se si esercita sul bullone una forza applicata verso il centro di rotazione il
bullone non ruota
Quando un corpo non è in
equilibrio per portarlo
all’equilibrio è sufficiente
applicare una forza uguale e
opposta alla risultante.
FEQUILIBRANTE = - FRISULTANTE
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Equilibrio rispetto alla
rotazione
Momento di una forza
Il momento di una forza consente di amplificare la forza
esercitata in un punto ed è pari all’intensità della forza
moltiplicata per la distanza del punto di applicazione e la
retta dove si trova la forza
M = b ⋅ F con b = braccio e F = forza applicata
Unità di misura: m ⋅ N ( metro ⋅ Newton )
Un momento di forza è positivo se produce una rotazione
in senso antiorario, negativo se produce una rotazione in
senso antiorario
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Si dice che un corpo è in equilibrio rispetto alla rotazione di
un particolare punto quando la somma algebrica di tutti i
momenti di forza applicati rispetto al punto è nulla.
R = M1 + M2 + M3 + ……= 0
Nell’esempio sottostante c’è equilibrio perché:
P1 ⋅ b1 = P2 ⋅ b2
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Coppia di forze
Coppia di forze equivalenti
Due forze parallele e opposte applicate
in punti diversi di uno stesso corpo
rigido formano una coppia di forze
Si chiama braccio della coppia la
distanza tra le direzioni ( rette ) delle
due forze, mentre il momento è il
prodotto del braccio per una delle due
forze
Le coppie di forze possono fare
entrare in rotazione un corpo se
hanno stessa direzione ma verso
opposto
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Due coppie di forza sono equivalenti se, agendo sullo
stesso piano e sullo stesso corpo, hanno momenti uguali e
opposti.
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Coppia di forze equivalenti
Macchina semplice
Un macchina semplice è caratterizzata da un guadagno
G = guadagno della macchina = ( forza resistente / forza
motrice )
• Cos’è una macchina semplice ?
• Si chiama macchina semplice un
dispositivo che serve per vincere o
equilibrare una forza applicando
un’altra forza di intensità e direzione
diversa
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Leve
Leve
Una leva è costituita da un
corpo rigido che può ruotare
intorno ad un punto chiamato
fulcro
La forza motrice ( Fm ) e la forza
resistente ( Fr ) sono applicate a
distanza rispettivamente bm e br
dal fulcro.
Vale la relazione:
Fm · bm = Fr · br
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A seconda della posizione che occupa il fulcro rispetto alle
due forze si distinguono 3 tipi di leve
I° genere: il fulcro sta tra le due forze
II° genere: la forza resistente sta tra il fulcro e la forza
motrice
III° genere: la forza motrice sta tra il fulcro e la forza
resistente
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Carrucola
Esempio di leva
La bilancia a bracci
uguali è una leva di
primo genere . I punti
di applicazione delle
forze sono
equidistanti dal fulcro.
Conoscendo il peso P1
è possibile calcolare
P2 usando la
definizione di leva: P1
· b1 = P2 · b2 poiché
b1 = b2 allora P2 = P1
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La carrucola è formata
da un disco che gira
attorno ad un asse e
passa per una staffa
fissata ad un sostegno
rigido. Sull’esterno del
disco è presente una
scanalatura chiamata
gola nella quale si fa
scorrere una fune.
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Carrucola
La carrucola fissa è una leva di primo genere e consente di
vincere una forza applicandone un’altra di uguale intensità.
Non amplifica la forza però consente di cambiare verso alla
forza
La carrucola mobile è una leva di secondo genere. In
questo caso il braccio della forza resistente è pari alla metà
di quello della forza motrice, quindi la forza viene
amplificata. Viene usata per sollevare pesi.
Baricentro
• Cos’è il baricentro ?
• Si chiama baricentro di un corpo il
punto in cui viene applicata la
risultante delle forze che agiscono sul
corpo
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Baricentro di un solido
regolare
Se un corpo solido è
regolare e omogeneo
come densità il
baricentro si trova al
centro del corpo. La
materia si distribuisce
quindi attorno ad esso, è
il caso della sfera,
altrimenti il baricentro si
trova sperimentalmente
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