La forza e i principi della dinamica: definizioni ed esempi
Nel mondo della fisica, esplorare le leggi che governano il movimento è fondamentale per comprendere il funzionamento del nostro universo.
In questa lezione, ci immergeremo nel concetto di forza e nei principi chiave della dinamica. Scopriremo come le forze agiscono sui corpi e come i principi formulati da Isaac Newton ci aiutano a interpretare il comportamento dei sistemi fisici.
- La forza in fisica: cos'è e come possiamo definirla
- Cos'è la dinamica in fisica
- Primo principio della dinamica
- Secondo principio della dinamica
- Terzo principio della dinamica
- Sistemi inerziali e non inerziali
La forza in fisica: cos’è e come possiamo definirla
Le forze sono fondamentali nella nostra vita quotidiana! Ad esempio quando spostiamo un oggetto, come una sedia, stiamo applicando una forza.
Una forza è una grandezza fisica vettoriale che si manifesta nell’interazione di due o più corpi e altera lo stato di quiete o di moto.
Esse possono essere di diversi tipi, come la forza gravitazionale, la forza elastica, la forza di attrito e molte altre.
La forza può cambiare la velocità di un corpo.
Essendo un vettore, la misura della forza non riguarda solo il suo modulo. Sarà quindi necessario esprimere la direzione e il verso in base alla forza che si considera.
Quindi per descrivere una forza dobbiamo fornire tre informazioni:
- direzione, la retta lungo cui agisce
- verso, in cui è orientata
- intensità, misurata in £$N$£ (newton) con il dinamometro.
L’unità di misura della forza è il Newton, nome del famoso fisico che la studiò in modo approfondito.
Un Newton è la forza necessaria per imprimere a un chilogrammo di massa un’accelerazione di un metro al secondo quadrato.
1N = £$\frac{1\text{kg}\cdot 1\text{m}}{1\text{s}^{2}}$£
Cos’è la dinamica in fisica
La dinamica è la branca della fisica che studia il movimento dei corpi e le forze che ne sono responsabili.
Si occupa di analizzare come le forze influenzano il moto di un oggetto e come questo moto può variare nel tempo. La dinamica si basa sui principi fondamentali enunciati da Isaac Newton, noti come le leggi del moto, che stabiliscono le relazioni tra le forze che agiscono su un corpo e le sue variazioni di velocità e accelerazione.
Primo principio della dinamica
Ogni volta che si mettono in relazione il moto di un corpo e le forze che agiscono su di esso, si fa riferimento ai 3 principi della dinamica o leggi di Newton:
- 1° principio, principio di inerzia
- 2° principio, legge fondamentale della dinamica
- 3° principio, principio di azione e reazione.
Il primo principio della dinamica (principio di inerzia) afferma che se la risultante delle forze agenti su un corpo è nulla, esso rimane fermo oppure, se in movimento, continua a muoversi di moto rettilineo uniforme.
Ad esempio un libro poggiato su un tavolo è in equilibrio perché la sua forza peso viene bilanciata dalla forza vincolare esercitata dal tavolo.
Nel caso in cui il corpo rimane fermo si parla di equilibrio statico mentre se si muove di moto rettilineo uniforme si parla di equilibrio dinamico.
Attenzione:
Isaac Newton enunciò i principi della dinamica sulla base della scoperta di Galileo Galilei che, applicando il metodo scientifico, supera la credenza del filosofo greco Aristotele (un corpo in moto si ferma quando la forza che lo spinge smette di agire) e arriva alla conclusione che ogni corpo si muove di moto rettilineo uniforme, a meno che una forza lo costringa a muoversi diversamente.
Secondo principio della dinamica
Quando vogliamo spingere una cassa poggiata per terra, dotata di massa, esercitiamo una forza su di essa, imprimendole un’accelerazione. In questo caso stiamo applicando il secondo principio della dinamica!
Il secondo principio della dinamica (legge fondamentale della dinamica) afferma che la risultante £$\vec{F}$£ delle forze applicate a un corpo è uguale al prodotto fra la massa m del corpo e l’accelerazione £$\vec{a}$£ da esso acquisita.
£$\vec{F}$£= £$m\cdot \vec{a}$£
Da questa formula si può ricavare la definizione di Newton:
F = £$m \cdot a$£= £$\frac{1\text{kg}\cdot 1\text{m}}{1\text{s}^{2}}$£ = 1N.
Dalla formula £$F = m· a$£ si può notare che la forza applicata e l’accelerazione assunta dal corpo sono direttamente proporzionali. La costante di proporzionalità è la massa.
Terzo principio della dinamica
Le forze sono delle interazioni reciproche tra corpi o sistemi fisici: se un corpo esercita una forza su un altro corpo, è vero anche il contrario.
Le due forze sono ugualmente intense ma opposte e prendono il nome di azione e reazione.
Il terzo principio della dinamica (principio di azione e reazione) afferma che a ogni azione corrisponde sempre una reazione contraria e di uguale intensità.
Esempio.
Se un ragazzo (A), che pattina sul ghiaccio, spinge con una forza £$F_{AB}$£ una ragazza (B), anche la ragazza imprime una forza £$F_{BA}$£ al ragazzo, uguale ed opposta.
£$\vec{F}_{AB}$£ = £$-\vec{F}_{BA}$£
Le due forze, non agendo sullo stesso corpo, causeranno delle accelerazioni differenti poichè la massa dei due corpi è differente.
Sistemi inerziali e non inerziali
Quando la metropolitana frena abbiamo bisogno di aggrapparci ad una maniglia per non cadere perché subiamo un’accelerazione in avanti rispetto al treno, nonostante non sia applicata nessuna forza al nostro corpo. Quindi, in questo caso, il primo principio della dinamica non è rispettato. Questo è un sistema di riferimento non inerziale e la forza che subiamo è chiamata forza apparente £$\vec{F}_{A}$£.
I sistemi di riferimento non inerziali non rispettano la prima legge della dinamica mentre i sistemi di riferimento inerziali la rispettano.
Quindi rispetto a un sistema di riferimento inerziale S:
- tutti i sistemi che si muovono con velocità costante rispetto ad esso sono inerziali;
- tutti i sistemi che sono accelerati rispetto ad esso non sono inerziali.
In particolare il principio di relatività galileiana afferma che le leggi della meccanica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali, qualunque sia la velocità (costante) con cui essi si muovono gli uni rispetto agli altri.