La forza in fisica: definizione e caratteristiche

La forza è un concetto fondamentale in fisica, che descrive l’interazione capace di modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo. Questa entità invisibile ma potente è la causa dietro ogni spostamento, accelerazione e anche dietro il mantenimento di un corpo in uno stato di riposo. In termini semplici, una forza può essere vista come una spinta o un tirare che agisce su un oggetto, influenzando così il suo movimento o la sua forma.

La forza si misura in Newton (N), in onore di Sir Isaac Newton, il cui lavoro sugli assiomi del moto e sulla legge di gravitazione universale ha gettato le basi della meccanica classica. Un Newton è definito come la quantità di forza necessaria per accelerare una massa di un chilogrammo di un metro al secondo al quadrato.

Le forze possono essere classificate in diverse categorie a seconda della loro origine o del loro effetto sugli oggetti. Tra queste troviamo le forze di contatto, come la tensione, la frizione e la forza normale, che agiscono direttamente attraverso superfici fisiche. Al contrario, le forze di campo, come la gravità e le forze elettromagnetiche, agiscono a distanza, senza che sia necessario un contatto fisico diretto.

Le forze non agiscono solo isolatamente; spesso, più forze agiscono contemporaneamente su un oggetto, portando a quello che è noto come equilibrio di forze. Quando le forze si bilanciano, si annullano a vicenda, lasciando l’oggetto in uno stato di equilibrio statico o di moto rettilineo uniforme. Al contrario, quando le forze non si bilanciano, l’oggetto subisce un cambiamento nel suo stato di moto.

Vediamone insieme le caratteristiche generali.

• Cos'è la forza in fisica: formula e definizione
• Come si misurano le forze
• Come sono composte le forze
• Forza di gravità e baricentro
• La forza di attrito

Cos’è la forza in fisica: formula e definizione

La forza è in grado di modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo e si manifesta quando due corpi interagiscono.

L’intensità della forza è legata all’accelerazione dalla formula:

$$F = m · a $$

Dove:

• F è la forza;
• m è la massa del corpo;
• a è l’accelerazione a cui il corpo è sottoposto.

L’unità di misura della forza è il newton (N).

Un newton (1 N) è l’intensità della forza necessaria per far accelerare di 1 m/s2 un corpo di massa pari a 1 kg.

Una forza è una grandezza vettoriale, rappresentabile con un vettore in quanto caratterizzata da:

• INTENSITÀ rappresentata dalla lunghezza del vettore;
• DIREZIONE che è la linea su cui giace la forza;
• VERSO in cui è orientata la forza.

È importante definire anche il punto di applicazione della forza che è il punto sul quale essa agisce.

Nella quotidianità applichiamo delle forze agli oggetti che ci circondano in ogni gesto che compiamo.

Camminando, scrivendo al pc, pedalando in bicicletta, schiacciando i pedali dell’automobile, spostando i mobili di casa, chiudendo o aprendo le porte.

Quando si produce uno spostamento applicando una forza su un oggetto questo passa da uno stato di quiete ad uno stato di moto.

Come si misurano le forze

Misurare una forza significa determinare la sua intensità.

Lo strumento per misurare le forze è il dinamometro.

Questo strumento consiste in una molla che allungandosi sposta un indice su una scala graduata.

Per misurare l’intensità di una forza basta applicarla all’estremità del dinamometro che allungandosi in modo proporzionale alla forza esercitata permette di leggere il suo valore sulla scala.

Un dinamometro fissato ad un’estremità permette anche di visualizzare la direzione e il verso della forza applicata all’estremità opposta.

Nel Sistema Internazionale l’unità di misura dell’intensità della forza è il newton (N).

Quando solleviamo un oggetto di massa 1 kg, dobbiamo esercitare una forza di 9,8 N.

Come sono composte le forze

La somma di più forze si chiama forza risultante.

Sommando due o più forze applicate ad un corpo si ottiene la forza risultante.

Le forze sono grandezze vettoriali quindi quando vogliamo sommarle o comporle bisogna prestare attenzione alle regole da utilizzare.

Vogliamo spostare un divano per cambiare l’arredamento di casa, ma da soli non ci riusciamo.

Ecco che arriva in aiuto un amico e solo spingendo in due il divano si sposta.

Questo è un esempio di forza risultante perché quando su un corpo agiscono più forze contemporaneamente queste si sommano ed la forza applicata diventa una sola.

Possiamo avere diversi casi di applicazione di una forza sul divano:

• forze con STESSA direzione, STESSO verso. Ecco che il divano si muove nel verso e nella direzione delle forze e l’intensità della forza risultante è data dalla somma delle due forze;
• forze con STESSA direzione, verso OPPOSTO e intensità DIVERSA. Il divano si muove nel verso della forza maggiore.
  forze con STESSA direzione, verso OPPOSTO e STESSA intensità. Il divano non si muove perché se due forze applicate ad un corpo sono opposte allora la risultante è nulla

Forza di gravità e baricentro

La forza di gravità è la forza di attrazione esercitata dalla Terra su un corpo e diretta verso il centro della Terra.

Gravità deriva dal latino gràvitas ovvero “pesantezza”.

Ogni corpo è formato da numerose particelle sulle quali agisce la forza di gravità.

La risultante di queste forze è una forza verticale diretta verso il basso e applicata in un punto del corpo chiamato centro di gravità o baricentro.

Il centro di gravità o baricentro di un corpo è il punto di applicazione del peso del corpo.

Il baricentro del nostro corpo in posizione statica è fisso e si trova poco sopra l’ombelico mentre in posizione dinamica si sposta in continuazione.

Per stare in equilibrio, il corpo deve pertanto mantenere la verticale del suo baricentro all’interno della base d’appoggio.

L’equilibrista che cammina su una fune è l’esempio più lampante dell’esistenza del baricentro.

Se l’equilibrista non fosse in grado di mantenere sempre il suo baricentro al di sotto della base d’appoggio allora finirebbe a terra facendosi molto male e rischiando una figuraccia.

La forza di attrito

La parola attrito deriva dal latino attritus, che significa sfregamento.

L’attrito è una forza che tende ad opporsi al movimento di un corpo che si muove a contatto con un altro corpo.

Se facciamo rotolare una pallina da tennis su una rampa di legno vediamo che si muove con una certa velocità e che questa diminuisce se la pallina finisce sull’erba.

L’effetto dell’attrito a volte è utile, altre volte invece ci mette in pericolo.

Se pensiamo di fare una passeggiata in montagna è utile calpestare il terriccio perché questo ci permette di proseguire senza fatica, ma se incontriamo una lastra di ghiaccio questa ostacola il nostro cammino. Le suole delle scarpe infatti non fanno presa quando siamo in assenza di attrito come sul ghiaccio.

L’intensità della forza d’attrito dipende dalle superfici a contatto e dalla forza con cui il corpo appoggiato preme sulla superficie su cui si muove.

Il contatto tra due superfici ruvide genera un attrito maggiore rispetto a quello tra superfici lisce.

Un corpo più pesante genera una forza di attrito maggiore di uno più leggero.

La forza di attrito, inoltre, genera calore e riscalda le superfici a contatto.

Possiamo classificare l’attrito in:

• ATTRITO VOLVENTE è quello tra un corpo che rotola e la superficie su cui si muove;
• ATTRITO RADENTE è quello tra una corpo che striscia o scivola su una superficie;
• ATTRITO VISCOSO è quello che si ha quando un corpo si muove all’interno di un fluido (come aria o acqua). In questo caso l’intensità della forza dipende dalla forma dell’oggetto e maggiore è la superficie a contatto con il fluido maggiore sarà l’attrito.