Forza apparente
Significato di forza apparente
Il primo principio della dinamica è valido per ogni sistema di riferimento di tipo inerziale, ovvero per sistemi di riferimento in moto rettilineo uniforme rispetto ad un altro sistema di riferimento inerziale.
Quando capita invece di trovarsi in sistemi di riferimento accelerati rispetto ad un sistema inerziale, è necessario introdurre delle forze apparenti che spieghino il moto dei corpi, che a differenze di tutte le altre forze reali o effettive, sono fittizie e non derivano da alcuna interazione diretta con altri corpi, ma traggono origine proprio dall'accelerazione del sistema.
Dunque le forze apparenti si manifestano nei sistemi di riferimento accelerati rispetto ad un sistema inerziale.
Esistono due tipi di accelerazioni a cui può essere sottoposto un sistema di riferimento rispetto ad un altro di tipo inerziale.
Esso può muoversi di moto traslatorio accelerato o di moto circolare.
Sistema di riferimento non inerziale in moto traslatorio accelerato
Consideriamo un bus con dei passeggeri a bordo che si sta muovendo di moto rettilineo uniforme.
In questo caso il bus rappresenta un sistema di riferimento inerziale in quanto si sta muovendo di moto uniforme rispetto alla Terra, considerata con buona approssimazione un sistema di riferimento inerziale.
Il bus ad un certo punto frena e subisce dunque una decelerazione.
In questa nuova configurazione il sistema di riferimento bus è diventato di tipo non inerziale.
I passeggeri solidali con l'automezzo subiscono uno spostamento in avanti.
Per chi si trova a bordo non c'è una spiegazione a questo fenomeno in quanto il primo principio della dinamica è violato nel senso che su ogni passeggero agisce la forza peso e la reazione al peso esercitata dal sedile, per cui i corpi dovrebbero rimanere fermi.
Eppure ciò non accade durante la frenata.
Ogni corpo a bordo del bus in particolare assume un'accelerazione contraria a quella del mezzo, andando così in avanti; in tal modo per un osservatore a Terra i passeggeri tenderanno a muoversi alla stessa velocità che avevano prima che il mezzo iniziasse a frenare rispettando così il principio di inerzia.
Dunque mentre le leggi della dinamica sono valide nel sistema di riferimento inerziale, non lo sono invece più in quello di tipo non inerziale.
Per spiegare questo comportamento e rientrare nella logica della meccanica newtoniana, è possibile introdurre una forza apparente a bordo detta forza di inerzia.
Questa forza è la responsabile della traslazione in avanti dei passeggeri ma non è dovuta all'interazione diretta con nessun altro corpo.
Sistema di riferimento non inerziale in moto circolare
Consideriamo un'automobile che si sta muovendo di moto rettilineo uniforme lungo una strada e con a bordo dei passeggeri.
Abbiamo visto come questa situazione rappresenti un sistema di riferimento inerziale rispetto alla Terra.
Ammettiamo ora che la strada curvi e l'auto affronti la curva.
Nel momento in cui la traiettoria diventa circolare in curva sull'auto agisce l'accelerazione centripeta che è diretta verso il centro della circonferenza, di cui la curva rappresenta un arco.
Siccome agisce un'accelerazione il sistema di riferimento dell'auto non sarà più di tipo inerziale, dunque il primo principio della dinamica non risulterà più valido all'interno di questo sistema di riferimento.
I passeggeri infatti durante la curva sentono una forza che li spinge verso lo sportello; tale forza risulta uguale ed opposta alla forza centripeta e prende il nome di forza centrifuga, che risulta dunque essere una forza apparente, non reale, che non si manifesta nei sistemi non inerziali.
L'introduzione di tale forza porta gli osservatori solidali col sistema di riferimento non inerziale a salvare il principio di inerzia.
Un osservatore solidale con la terra vede invece i passeggeri invece spostarsi per mantenere la traiettoria rettilinea a velocità costate tenuta prima della curva e quindi in coerenza col primo principio che in tale sistema di riferimento dunque risulta valido.
Un'altra forza fittizia che entra in gioco quando si ha a che fare con sistemi di riferimento in rotazione e quindi non inerziale è la forza di Coriolis.
Una prova diretta di questa forza è il pendolo di Foucault: un lungo pendolo lasciato in oscillazione per diverse ore segnerebbe un unico solco sulla sabbia se la Terra non fosse in rotazione contemporaneamente.
Invece col passare delle ore si ci accorge che il pendolo disegna delle linee sotto di esso come se il piano al di sotto ruotasse.
In realtà il fatto è dovuto che la Terra non è un sistema di riferimento inerziale a causa della sua rotazione, che seppur minima (360°in 24 ore) si fa evidente in fenomeni di durata temporale elevata.
La forza di Coriolis interviene anche nella direzione e velocità dei sistemi nuvolosi e dei venti.
Esercizio
Un dinamometro che segna il peso di un corpo è posto appeso in un ascensore in movimento.
Esaminare i tre casi in cui:
1) l'ascensore si muove a velocità costante;
2) l'acensore accelera andando verso l'alto;
3) l'ascensore accelera andando verso il basso.
Stabilire come varia il peso del corpo nei tre casi.
Lo svolgimento dell'esercizio lo trovi qui: esempi sulle forze apparenti.
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