Le forze

Le forze
Il concetto di forza
Un oggetto che è fermo non si mette in movimento da solo.
Per spostare un libro su un tavolo o un mobile sul pavimento bisogna spingerlo oppure tirarlo.
Occorre quindi esercitare sull’oggetto una forza.
Queste osservazioni mostrano che il concetto di forza è collegato nella nostra mente all’idea
di sforzo muscolare.
Tuttavia si possono ottenere gli stessi effetti anche senza usare i muscoli!!
Si può far muovere un pezzo di ferro avvicinandogli una calamita. In questo caso, la forza è
stata esercitata sul pezzo di ferro dalla calamita.
Possiamo allora estendere il concetto di forza e riferirci con questa parola a qualsiasi causa
che sia in grado di far iniziare o di modificare il movimento.
La somma delle forze
Qual è il modo corretto per sommare due o più forze?
Bisogna ricavare la forza totale cioè la forza risultante
La somma delle forze
Supponiamo di avere tre persone che, usando delle funi, tirano uno stesso oggetto
lungo tre direzioni che formano un angolo di 120°
120°
Facendo questo esperimento vediamo che, quando le tre persone agiscono sull’oggetto
con forze di eguali intensità, esso rimane fermo.
In questo caso la forza totale agente sull’oggetto è nulla.
𝐹1
𝐹2
120°
𝐹3
𝐹2
𝐹2
𝐹1
𝐹2
120°
𝐹3
𝐹
𝐹1
𝐹1
120°
120°
𝐹3
𝐹3
Per fare la somma di due forze con il metodo punta-coda bisogna staccare la seconda
dal suo punto di applicazione e trasportarla fino a che la sua coda si sovrappone alla
punta della prima.
Dal momento che la configurazione è del tutto simmetrica, possiamo decidere di
sommare prima di tutto le forze 𝐹1 e 𝐹2 . Perché la somma delle tre forze risulti uguali
a zero, la composizione 𝐹 di queste due deve essere data dalla freccia rossa.
Si possono sommare le forze anche usando un altro metodo, il metodo del
parallelogramma, che è del tutto equivalente a quello punta-coda.
𝐹1
𝐹2
𝐹
𝐹1
𝐹2
𝐹1
𝐹2
120°
120°
120°
𝐹3
𝐹3
𝐹3
Metodo punta-coda
𝐹2
𝐹2
𝐹 = 𝐹1 + 𝐹2
𝐹1
𝐹1
Dalla punta di una di esse (per esempio 𝐹1 ) si disegna una freccia uguale a quella che
rappresenta l’altra .
La forza totale è descritta da una freccia che ha lo stesso punto di applicazione di 𝐹1 e la
punta coincidente con quella di 𝐹2 .
Metodo del parallelogramma
𝐹2
𝐹1
𝐹1
𝐹2
𝐹1
𝑂
𝐹2
Si disegnano le due forze a partire dallo stesso punto di applicazione. Poi dalla punta di
ogni freccia si traccia la parallela all’altra forza; in questo modo si ottiene un
parallelogramma.
La forza totale è rappresentata da una freccia che parte da O e ha la punta nel vertice
opposto.
Un esperimento sulla somma delle forze
Costruiamo una semplice esperienza usando tre
dinamometri, una rondella (un piccolo anello di
metallo), un po’ di filo da pesca e del nastro adesivo.
Fissiamo i tre dinamometri su un tavolo sopra un foglio
di carta. Devono essere in tensione e ben allineati con i
fili da pesca che trasmettono le forze alla rondella.
La rondella è ferma e non accenna a muoversi.
La forza totale deve essere zero.
Ciascuna forza è rappresentata da una freccia diretta lungo l’asse del dinamometro, di
lunghezza proporzionale all’allungamento della molla.
Un esperimento sulla somma delle forze
Le forze non si sommano come i numeri. Proviamo a sommare con il metodo punta-coda
𝐹2
𝐹1
2,9N
𝐹3
𝐹2
𝐹 = 𝐹1 + 𝐹2
𝐹 = 𝐹1 + 𝐹2
𝐹1
𝐹3
Il risultato dell’operazione è un punto cioè una freccia che lunghezza zero. Questo significa
che la forza totale sulla rondella è nulla
I vettori e le grandezze scalari
Ogni forza è dunque una grandezza fisica caratterizzata da un numero (che esprime
l’intensità, detta anche valore o modulo), una direzione ed un verso ed è rappresentata
da una freccia. Tutto ciò si esprime dicendo che la forza è una grandezza vettoriale o, in
modo più rapido, che è un vettore.
Le grandezze vettoriali, dette anche vettori, sono grandezze fisiche caratterizzate da:
- un numero (che ne esprime la misura rispetto a un’unità prefissata)
- da una direzione
- da un verso.
Una proprietà fondamentale le contraddistingue: si sommano secondo il metodo puntacoda (oppure con la regola del parallelogramma, che è del tutto equivalente).
Esempi di grandezze vettoriali sono, oltre alla forza, lo spostamento, la velocità e l’
accelerazione.
Il vettore spostamento
Oltre alla forza, un altro esempio di grandezza vettoriale è lo spostamento.
Consideriamo un oggetto che si muove tra A e B, seguendo un percorso
qualsiasi. Il suo spostamento è rappresentato da una freccia che ha:
- La direzione della retta AB;
- Il verso da A a B;
- La lunghezza uguale alla distanza tra A e B
A tutte le grandezze a cui non si può associare una direzione si dà il nome di
grandezze scalari.
In altri termini, le grandezze scalari sono individuate solo da un numero.
Esempi: l’intervallo di tempo (per caratterizzare una durata occorre dare solo un
valore numerico). Basta dire, per esempio, che un intervallo di tempo ha una
durata di 15s e a nessuno verrebbe in mente di chiedere quale direzione abbiano
questi 15 s.
Altri esempi di grandezze scalari sono il volume, la temperatura, l’energia e la
carica elettrica.
Le grandezze scalari si sommano come i numeri.
Le operazioni con i vettori
Le operazioni con i vettori
Le operazioni con i vettori
Forze di contatto
Sono quelle forze che si manifestano solo quando i corpi entrano in contatto tra loro
(forza di attrito, forza vincolare).
Esempi:
- Vento sulla vela
- Forza muscolare esercitata sul carrello della spesa
- Forza esercitata dal tavolo su una bottiglia poggiata su di esso
Forze a distanza
Sono quelle forze che invece non necessitano di contatto tra i corpi per manifestarsi (forza
di gravità e forza elettromagnetica).
- Forza magnetica della calamita (forza magnetica con cui una calamita attira uno spillo)
- Forza di gravità che attira un sasso verso il basso.
La forza di gravità che la Terra esercita su tutti gli oggetti è percepita come forza-peso.
Negli esempi appena visti sono coinvolti sempre due o più corpi. Un corpo non può
esercitare nessuna forza in assenza di altri oggetti: ad esempio quando compiamo
l’azione di spingere, la esercitiamo sempre su qualcosa, come un carrello un libro, una
cassa.
La forza è un’interazione tra due corpi o sistemi di corpi.
L’effetto delle forze
Quotidianamente possiamo riconoscere le forze osservando i diversi effetti che producono
sui corpi ai quali vengono applicate.
Una forza:
- Se applicata ad un oggetto fermo, può far aumentare la sua velocità, come accade a un
pallone quando si tira un calcio di rigore;
- Se applicata a un oggetto in moto, può far diminuire la sua velocità, come accade al
pallone quando finisce in rete;
- Può far variare direzione al moto di un corpo, come quando una pallina di tennis viene
respinta da un giocatore;
- Può far ruotare un corpo, come quando viene spinta una porta girevole;
- Può modificare la forma del corpo a cui è applicata, come quando si comprime una
molla o si allunga un elastico.
La misura delle forze
Le Forze sono Grandezze Vettoriali !!!!
Immaginiamo di dover spostare un mobiletto da una
parte all’altra della stanza.
Oltre a modulare l’intensità della spinta, dobbiamo
determinare bene lungo quale direzione e in quale
verso orientare la forza da applicare e anche in che
punto applicarla.
Le forze, quindi, sono vettori applicati e per descrivere
una forza è necessario:
- La sua direzione, cioè la retta lungo cui la forza
agisce;
- Il verso su cui agisce;
- La sua intensità, misurata con uno strumento
chiamato dinamometro,
- Il suo punto di applicazione.
Il Dinamometro
Per definire in modo preciso la grandezza forza bisogna dire come si fa a misurarla.
Un metodo per misurare l’intensità consiste nell’applicare la forza a una molla e nel
misurare di quanto essa si allunga.
Un dinamometro è costituito da una molla racchiusa in un cilindro, sul quale è
disegnata una scala graduata.
Il Dinamometro
Prendiamo una molla e attacchiamo una sua estremità a un punto fisso (per esempio a un
chiodo sul muro).
All’estremità libera applichiamo la forza che vogliamo misurare.
Due forze hanno la stessa intensità
quando, applicate una dopo l’altra alla
molla, producono uguali allungamenti.
Sono diverse se una allunga la molla più
dell’altre . Diciamo che la prima forza ha
una intensità maggiore di quella
prodotta dalla seconda.
Per misurare l’intensità dobbiamo scegliere un’unità di misura. Nel S.I. l’unità di misura della
forza è il newton (N).
Sulla Terra la forza-peso che agisce su un corpo di massa 1 kg vale 9,81 N.
Ciò significa che, se mettiamo sul palmo di una mano un panetto di burro da un ettogrammo,
la forza che dobbiamo esercitare con la mano per impedire che questo cada vale 0,981N; essa
è quindi circa uguale ad 1 N.
La forza- peso
La forza-peso viene spesso chiamata semplicemente peso del corpo.
È una forza diretta verso il basso: sulla Terra, ogni oggetto fermo, che sia libero di
muoversi, tende a spostarsi verso il basso sotto l’azione di questa forza.
Ogni corpo subisce una forza-peso, che p la forza di gravità con cui è attratto dalla
Terra.
La forza-peso e la massa
La massa ed il peso di un corpo non sono la stessa cosa!!!!!
La massa è una proprietà che si può esprimere con un semplice numero.
Il peso è una forza e quindi non è descritta solo da un’intensità (cioè da un numero),
ma anche da una direzione e da un verso.
La massa è una proprietà caratteristica di un corpo e non cambia mai.
Il peso di uno stesso oggetto varia a seconda di dove si trova: all’Equatore è minore
che ai Poli e sulla Luna è circa 6 volte più piccolo che sulla Terra
La forza- peso e la massa
Quindi la massa di un corpo e il peso che agisce su di esso sono due grandezze
fisiche molto diverse.
Però dagli esperimenti si vede che l’intensità della forza-peso che agisce su un
oggetto dipende dalla massa.
In particolare si verifica che il peso è direttamente proporzionale alla massa: cioè, se
un corpo ha massa tripla di un altro, allora il suo peso è tre volte maggiore ecc..