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L EZIONE 5
Laboratorio di Preparazione di
Esperienze Didattiche
Forze e Interazioni
Oggi discuteremo delle forze, e del loro ruolo di mediatori di interazione fra corpi. Abbiamo già visto
in precedenza un esempio di forza, la forza peso,
che descrive l’interazione fra tutti i corpi dotati di
massa e la Terra. Molto precocemente un bambino,
associa l’idea di “forza” al “fare forza” per muovere, spostare, sollevare qualcosa, quindi qualitativamente il concetto è familiare fin da subito. Il passaggio alla formalizzazione a livello quantitativo
richiede un livello di astrazione non del tutto alla
portata dei bambini, tuttavia alcuni aspetti possono facilmente essere evidenziati. E’ bene
ricordare che la forza, in Fisica, è una grandezza vettoriale e, come tale, caratterizzata
da direzione, verso, intensità punto di applicazione. Punteremo a far emergere qualitativamente queste caratteristiche nelle attività discusse, insieme al fatto fondamentale che la
forza descrive una interazione, quindi per “far forza” bisogna essere in due. Nell’ultima
parte, poi, ci concentremo sull’equilibrio fra forze. In questa scheda sono riportate alcune
nozioni fondamentali e suggerite alcune attività che possono essere proposte ai bambini.
Vi invito, in un primo momento, a discuterle fra voi e a simularle per evidenziarne i punti
salienti. Quindi, potete provare ad elaborare nuove attività o nuovi giochi da proporre.
Forza e Vettori
to di applicazione), in che direzione
e in che verso vado, e di quanto mi
La forza è una grandezza vet- sposto dal punto di partenza (intensitoriale, caratterizzata da direzione, tà). Una forza si rappresenta con una
verso, punto di applicazione ed in- freccia orientata (vettore).
tensità. Per fissare le idee, pensiamo
alla forza necessaria per spostare un
oggetto: dobbiamo spingere (o tirare) l’oggetto toccandolo (punto di applicazione), così facendo iniziamo a
farlo muovere in una direzione e verso ben definiti e, più forte spingiamo,
più “si muove rapidamente” (intensità). Un’altra grandezza fisica che è il
prototipo delle grandezze vettoriali è
Un Vettore
lo spostamento: per sapere dove arrivo, devo sapere da dove parto (punUna caratteristica delle grandezze
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vettoriali e, quindi, anche delle forze, è la regola con cui si sommano.
Due forze parallele danno una forza parallela, avente intensità pari alla
somma delle intensità: intuitivamente, se due persone tirano dalla stessa parte un oggetto, esso si muove in
ragione dell’intensità totale delle forza. Due forze dirette in verso opposto danno come risultante una forza
avente la medesima direzione, il verso con concorde con la forza di intensità maggiore, e di intensità pari alla
differenza fra quelle delle due forze:
intuitivamente se due persone tirano
un oggetto da parti opposte, esso si
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muove nella direzione della forza più
intensa. Ma che cosa accade se le forze non sono né parallele né antiparallele? Tutte le forze si sommano secondo la regola del parallelogramma descritta in figura: si traccia un
parallelogramma con le due forze e
la somma corrisponde alla diagonale
del parallelogramma.
Tutte le forze si misurano in NEWTON nel Sistema Internazionale.
La Forza
Se chiedete ai bambini “che cosa
è la forza”, le risposte saranno varie ma, verosimilmente, tutte collegate all’idea di “fare forza”, “essere
forti”, ovvero inerenti all’idea che ci
vuole forza, bisogna essere forti, per
spostare le cose o farle muovere con
maggiore “velocità” (in realtà la forza è legata all’accelerazione che ha
un corpo e non, aristotelicamente, alla sua velocità). Il fatto che esercitare
una forza (i fisici direbbero “applicare una forza”) causa un effetto è chiaro sin da subito per i bambini, tuttavia occorre mettere in evidenza che,
come si diceva prima, la forza non
è una proprietà di un oggetto, bensì una caratteristica dell’interazione
fra oggetti. Per far comprendere questo, potete immaginare una semplice
Il vettore c è somma di a e b.
attività. Procuratevi una fune, e chiedete ai bambini chi si sente più forLa forza caratterizza l’interazione te: allora, metteteli alla prova. Legafra due oggetti, quindi per poter par- te un capo della fune ad un oggetto,
lare di forza in maniera compiuta bi- e chiedete ai bambini di tirarlo o di
sogna specificare quali sono gli ogget- trascinarlo. Abbiate cura di scegliere
ti in interazione: ad esempio, la for- oggetti sempre più pesanti, ad esemza peso è la forza che caratterizza pio un libro, uno zaino, una sedia,
l’interazione gravitazionale fra gli og- un banco, la cattedra, infine legate la
getti e la Terra (anche se si confonde corda a qualcosa di fisso o comunque
spesso con la massa dell’oggetto, co- di pesantissimo: i bambini che si senme abbiamo avuto modo di vedere!). tono “forti” si renderanno conto del
In natura esistono forze gravitazio- fatto che gli effetti della loro forza dinali, forze elettromagnetiche e forze pendono dall’oggetto che tirano, sanucleari: tutte le altre forze deriva- ranno fortissimi nello spingere o scano da queste. Le forze con cui abbia- raventare lontano oggetti leggeri, ma
mo più familiarità, oltre che il peso, faranno via via più fatica con oggetti
sono le forze di contatto, ad esem- pesanti!
pio quelle che si esercitano nel conOperazioni di Premisura
tatto fra oggetti (tirare, spingere, spostare). Un’altra forza che incontriamo
Le operazioni di premisura conspesso è la forza elastica, che caratterizza la dinamica di elastici, molle e sistono nel confrontare e ordinare.
simili. L’effetto di una forza è quel- Il confronto e l’ordinamento di forze
lo di far variare lo stato di moto del- può avvenire mediante il confronto
l’oggetto cui essa è applicata: farlo fra gli effetti delle forze. Ad esempio
muovere, arrestarlo, farne variare la l’attività descritta in precedenza può
velocità o, ancora, farlo deformare, essere utilizzata per mettere in evicomprimere, allungare. Fisicamente, denza che: a parità di forza (la forza
questo vuol dire che la forza provo- massima che un bambino può esercica una accelerazione, ed è quello che tare), oggetti più leggeri si muovono
stabilisce la famosa legge di Newton di più di quelli più pesanti.
F = ma.
Si può far uso del carattere vetLaboratorio di PED
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toriale della forza per un altro tipo
di confronto. Prendete un oggetto pesante, sul pavimento, e fissate su di
esso gli estremi di due funi; invitate quindi i bambini a tirarlo. La situazione è esemplificata in figura, dove si vede che, per effetto dell’azione
delle due forza F1 e F2 , l’oggetto si
muove nella direzione individuata da
F = F1 + F2 , che corrisponde alla
somma delle forze agenti. Quindi, si
possono comparare le due forze ancora una volta andando ad osservarne gli effetti: la direzione di moto si
avvicina di più alla forza più intensa.
Tirare un oggetto in due direzioni
diverse, lo fa spostare in una terza
direzione
Un ulteriore metodo per paragonare le forze è quello di usare un dinamometro di cui, per
comodità, riportiamo i principi di
funzionamento.
Il dinamometro è costituito da
una molla, avente un estremo fisso e
un estremo mobile, cui è possibile agganciare una massa, soggetta ad una
forza (es. forza peso): per effetto della forza la molla si allunga leggendo sulla scala graduata, è possibile
determinare la forza.
Operazioni di misura
Ricordiamo che le operazioni di
misura consistono nello
• Scegliere una unità di misura
• Riportare l’unità di misura nella
grandezza da misurare (es. riportare l’unità di misura tante
volte nella distanza da misurare
fino a ricoprirla interamente)
• Contare il numero di volte in
cui è stata riportate l’unità di
misura
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Il risultato di una misura consiste
quindi in un numero con la corrispondente unità di misura (eg.
10 metri, 20 chilogrammi, 365 giorni...). La scelta di una unità di misura è alquanto arbitraria, sebbene
ragioni pratiche e storiche siano alla base della scelta delle unità in uso
correntemente.
Ad ogni modo una “buona” unità di misura deve avere alcune
caratteristiche:
• deve essere omogenea alla
grandezza da misurare e più
piccola di essa
• deve avere multipli e sottomultipli
• deve essere costante, riproducibile e universale, ovvero deve
essere riconosciuta da una pluralità di soggetti, i quali possono poter confrontare i risultati
delle loro misure
Dinamometro. Ovviamente il dinamometro può essere utilizzato per
la misura delle forze e, in particolare,
per verificare come si sommano. Per
fare questo, potete usare due o più
dinamometri. Sul principio di funzionamento del dinamometro si basa la
bilancia pesa persone o la bilancia da
cucina. Potete usare la bilancia pesa
persone, sfidando i bambini a vedere chi è più forte. Per far questo, posizionate verticalmente la bilancia, e
chiedete ai bambini di spingere più
forte che possono su di essa: misurate la forza moltiplicando per g ' 10
m/s2 la lettura che essa vi offre (perchè la forza peso P = mg), e ottenete
quindi la misura di forza in Newton.
Come far variare il peso
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Sempre con la bilancia pesa persone potete fare un’altra attività che
enfatizza il carattere vettoriale delle
forze: fate mettere un bambino su
una bilancia e leggete il suo peso.
Quindi, fate tirare al bambino un elastico di cui tenete voi l’altro capo,
verso l’alto o verso il basso. Quando
tirate verso verso l’alto, la bilancia
segna un “peso” minore (ovvero una
massa equivalente minore), quando
tirate verso il basso accade il contrario. Tutto questo dipende dal fatto
che, essendo la bilancia un misuratore di forze, essa risente della forza
elastica con cui tirate il bambino. Il
gioco può anche essere fatto in coppie.
Giochi da Costruire
Forze ed Equilibrio
Lo stato di quiete di un corpo
è determinato dall’equilibrio delle
forze e dei momenti delle forze che
agiscono su di esso: questo vuol dire che se (il centro di massa di) un
corpo è in quiete, la somma delle forze che agiscono su di esso è nulla, se
non ruota, allora la somma dei momenti delle forze che agiscono su di
esso è nulla.
Potete utilizzare una bilancia a
bracci per chiedere ai bambini di
equilibrare con i pesini in dotazione
il peso di alcuni oggetti: ad esempio
una gomma, il temperamatite. In particolare il principio su cui si basa la
bilancia è quello della leva in equilibrio: preso il fulcro, il prodotto del
peso per la distanza dal fulcro deve
essere lo stesso. In particolare, se il
fulcro si trova a metà esattamente, la
bilancia è in equilibrio quando i pesi
sono identici. Dal punto di vista fisico, l’equilibrio in questione è quello
fra i momenti delle forze.
Fionda
Fionda. Potete costruire una fionda
come quella in figura. con una molletta da bucato, un elastico e una vite.
Questo vi permette (attenzione perché gli elastici fanno male!) di evidenziare varie cose. Innanzitutto, caricate la fionda. L’elastico è soggetto
alla forza che lo tiene fermo, esercitata dalla molletta e dalla vite, la quale si oppone alla forza elastica dovuta alla deformazione, che tenderebbe
a riportarlo in condizioni di “riposo”.
Nel momento in cui aprite la molletta, viene meno uno dei vincoli e l’elastico, lasciato libero, parte nella direzione della fionda: la forza elastica
è quella che imprime l’impulso, ed è
chiaro che il moto dipende dalla direzione in cui è posta la fionda (la velocità con cui inizia a muoversi è un
vettore diretto come la fionda).
Palloncini. Sfruttando il principio di azione e reazione (terza legge di Newton), potete costruire vari
giocattoli, come ad esempio un razzo a reazione o una macchinina a
reazione.
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Bilancia in equilibrio con due pesi
identici
Potete sfruttare questo principio per
proporre ai bambini questo gioco:
procuratevi un buon numero di oggetti identici (e.g. le formine di pongo o das utilizzate in precedenza),
e costruite una bilancia rudimentale, con un’asticella di legno libera di
oscillare intorno ad un fulcro (un rotolino di cartone, o uno stick di colla). Chiedete ai bambini se riescono
ad equilibrare la bilancia: usando due
pesi identici, la bilancia è in equilibrio quando essi si trovano ad uguale
distanza dal fulcro.
Bilancia in equilibrio con due pesi
diversi
Ma il principio di funzionamento della bilancia dice che essa può essere
in equilibrio anche con pesi diversi:
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è sufficiente che il peso maggiore sia
più al fulcro del peso minore: in particolare, indicando con P1 , P2 i pesi e
d1 , d2 le distanze dal fulcro, l’equilibrio sussiste se P1 d1 = P2 d2 . Quindi provate a equilibrare pesi diversi,
spostando la posizione del fulcro.
L’equilibrio di un corpo su una data superficie è assicurato se la proiezione del suo baricentro (centro geometrico per corpi omogenei o, comunque centro della sua distribuzione di massa) ricade all’interno della superficie di appoggio. Potete costruire un manufatto con cui potete evidenziare questo principio. Normalmente è in equilibrio sulle quattro
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zampe come in figura.
Equilibrio sulle quattro “zampe”
Utilizzando un filo di ferro con
un contrappeso, il manufatto è in
equilibrio su due sole zampe.
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Equilibrio sulle due “zampe”
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Appunti e Osservazioni
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