Forza
Definizione di forza
La forza è la causa che provoca il movimento di un corpo che si trova in uno stato di quiete oppure ne determina l'arresto se in moto; la forza è anche la causa che produce deformazioni in un corpo vincolato.
La forza è una grandezza di tipo vettoriale, cioè risulta determinata da direzione, modulo e verso.
L'unità di misura della forza è il Newton, simbolo N (scritto in stampato maiuscolo).
Se più forze vengono applicate allo stesso punto possiamo distinguere due casi:
- caso statico: se la somma di tutte le forze che agiscono è pari a zero; allora il corpo su cui agiscono le forze o rimane fermo oppure si muove di velocità costante (vedi primo principio della dinamica);
- caso dinamico: se la somma di tutte le forze che agiscono sul corpo è diversa da zero, l'effetto è quello di accelerare il corpo (vedi secondo principio della dinamica).
Ad esempio un caso statico in cui la somma di tutte le forze che agiscono è pari a zero è il tiro alla fune se entrambe le squadre tirano la fune con la stessa forza:
oppure un oggetto poggiato sopra un piano inclinato che non scivola verso il basso se agisce una forza d'attrito maggiore o uguale e contraria alla componente parallela della forza peso:
Le forze si sommano con le regole relative ai vettori, in particolare con la regola del parallelogramma è possibile ottenere graficamente la risultante di più forze.
La risultante di più vettori è possibile ottenerla anche con il metodo punta-coda.
Tipologie di forze in meccanica
Elenchiamo le principali forze utilizzate in meccanica.
La forza peso P di un corpo è la forza relativa all'attrazione gravitazionale verso il pianeta, il suo modulo vale il prodotto della massa del corpo per l'accelerazione di gravità g che vale 9,8 m/s2:
|P| = m · g
La direzione della forza peso è diretta verso il centro della Terra.
Nel caso particolare che il corpo sia posto su di un piano inclinato, allora bisogna considerare due componenti della forza peso: la componente parallela al piano (P//) e la componente perpendicolare al piano (P⊥), Il vettore P (forza perso) è, come si può evincere dal grafico sopra riportato, sempre rivolto perpendicolarmente verso il centro della Terra.
La forza elastica di una molla di costante elastica K è la forza di richiamo che una molla esercita su di un corpo quando essa è compressa (o allungata) di una certa distanza x:
|Fel| = K · x
La direzione è quella su cui idealmente scorre il corpo, quindi una retta, mentre il verso è rivolto verso la molla:
La forza di tensione o più semplicemente tensione T interviene quando una massa è appesa ad un filo o a una fune che considereremo sempre inestensibili per semplicità.
Questa semplificazione implica il fatto che la tensione viene trasmessa dalla fune senza deformazione, quindi così per come è da una capo all'altro ad esempio di una carrucola.
Nell'immagine sopra, ad esempio, i due blocchi sono collegati da una fune ed il blocco di destra trascina con se quello di sinistra.
La tensione applicata al blocco di sinistra è uguale in modulo ma di verso contrario alla tensione applicata al blocco di destra.
La direzione delle forze di tensione coincidono con la direzione in cui è presente la fune stessa, mentre il verso è quello rivolto dal lato in cui c'è la fune.
La forza di reazione vincolare o normale è la forza che reagisce alla presenza di un vincolo per cui un corpo risulta appoggiato su di una superficie.
Infatti se una massa poggia su di un piano, l'effetto della forza peso, che tenderebbe a far cadere il corpo verso il basso, viene azzerato dalla presenza della reazione del vincolo:
Nella figura sopra il vincolo è rappresentato dalla superficie piana del tavolo che pertanto esercita una forza sulla massa m uguale e contraria a quella della forza peso.
La direzione della normale è sempre perpendicolare al piano di appoggio e la sua direzione rivolta verso l'alto.
La forza di attrito è la forza che interviene quando il moto di un corpo avviene lungo superfici scabre ovvero dotate di un coefficiente di attrito, che tendono a rallentare il corpo per via dell'energia dissipata per lo sfregamento appunto.
Quando una superficie non è interessata da attrito viene detta superficie liscia.
Il modulo della forza di attrito è pari al prodotto del coefficiente di attrito μ, che è un parametro dipendente dal tipo di superficie scabra, per il modulo della forza di reazione normale a cui è soggetto il corpo, ovvero:
|Fattr| = μ · N
Ora, se il corpo è appoggiato su un piano orizzontale, il modulo della forza normale è pari alla forza peso m·g quindi:
|N| = m·g
e quindi:
|Fattr| = μ · N = μ · m · g
La forza di attrito ha la stessa direzione del moto lungo il quale il corpo si muove ma con verso opposto:
Nel caso illustrato in figura l'armadio si muove verso destra mentre la forza di attrito si oppone al moto e quindi ha direzione verso sinistra.
Forza ed accelerazione
Per il secondo principio della dinamica, la somma di tutte le forze che agiscono su di un corpo è pari al prodotto della massa per l'accelerazione che il corpo subisce:
La forza rappresenta dunque la causa dell'accelerazione di un corpo, quindi della sua messa in moto se era in quiete (variazione dello stato di quiete), oppure della variazione di velocità (se il corpo si stava muovendo di moto rettilineo uniforme), o del passaggio dallo stato di moto fino a quello di quiete.
Forza centripeta e centrifuga
La forza centripeta è la forza che permette ad un corpo di muoversi su una traiettoria circolare.
Essa è sempre diretta verso il centro della circonferenza ed ha direzione lungo il raggio.
Il suo modulo è dato da:
|Fc| = m · v2 /R
in cui m è la massa del corpo, v la velocità tangenziale ed R il raggio della circonferenza.
Se pensiamo ad esempio ad una pallina messa in moto circolare da una fune, questa fune applicherà una forza centripeta alla massa la quale potrà rimanere in moto circolare fin quando la forza centripeta è presente.
Accanto alla forza centripeta è utile considerare la forza centrifuga che in realtà è solo una forza apparente che appare agire su di un corpo quando si considera un sistema di riferimento solidale col corpo stesso e quindi non inerziale (si veda: sistema di riferimento non inerziale).
In realtà non è una forza fisica reale in quanto l'unica forza a determinare il moto circolare è la forza centripeta.
Per approfondimenti si veda: formula della forza.
Momento di una forza
Il momento di una forza rispetto ad un punto O è il prodotto vettoriale tra il vettore forza applicato in un punto P e la distanza del punto del punto P da O (braccio della forza).
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