Tipi di forze: quante ne esistono e perché sono importanti
Le forze sono un concetto fondamentale in fisica che gioca un ruolo cruciale nella nostra comprensione dell’universo. Ma cosa sono esattamente, e come influenzano il mondo che ci circonda? In fisica, una forza è una qualsiasi interazione che tende a cambiare lo stato di movimento di un oggetto. Può fare in modo che un oggetto con massa cambi la sua velocità (che può includere un cambiamento nella direzione del movimento), oppure può deformare un oggetto senza cambiarne il movimento.
Le forze sono spesso raggruppate in due categorie: forze di contatto e forze a distanza. Le forze di contatto richiedono un contatto fisico tra due oggetti, come la forza di attrito che si oppone al movimento di un oggetto su una superficie. Le forze a distanza agiscono su oggetti senza contatto fisico diretto, come la forza gravitazionale tra la Terra e la Luna.
Uno dei modi più comuni per descrivere una forza è attraverso la legge di Newton della gravitazione universale, che collega la forza tra due oggetti alla loro massa e alla distanza tra di loro. Le leggi del moto di Newton sono un altro strumento fondamentale nella descrizione delle forze e del loro effetto sugli oggetti.
Le forze sono ovunque intorno a noi e influenzano ogni aspetto della nostra vita quotidiana. Da semplici attività come camminare e sollevare oggetti a fenomeni complessi come il volo degli aeroplani e il movimento dei pianeti, le forze sono alla base di tutto. In questo articolo, esploreremo più a fondo queste interazioni, gettando luce sulla natura delle forze e sulla loro applicazione in diversi campi della fisica. Scopriamole insieme!
- La differenza tra la massa e il peso
- La forza peso: cos'è e come si definisce
- La forza vincolare: cos'è e a cosa serve
- La forza elastica: cosa la caratterizza
- La legge di Hooke e la forza elastica
- La forza centripeta: cos'è
La differenza tra la massa e il peso
Perché è faticoso sollevare un grosso sasso da terra? É colpa della sua forza peso!
La forza peso, chiamata più semplicemente peso, è quella forza che attira tutti i corpi dotati di massa verso il centro della Terra. È importante non confondere la massa con il peso! La massa è una proprietà caratteristica della materia, il peso è una forza che varia a seconda dell’accelerazione gravitazionale del pianeta su cui ci troviamo.
Esempio.
Il nostro peso sulla Luna è circa un sesto di quello terrestre … ma la nostra massa resta invariata!
La forza peso: cos’è e come si definisce
La forza peso è pari al prodotto della massa del corpo per l’accelerazione gravitazionale del pianeta su cui ci si trova, che è costante.
Nel caso della Terra, l’accelerazione gravitazione g è pari a 9,81 £$\frac{\text{m}}{\text{s}^{2}}$£ a livello del mare.
£$\vec{F_p}$£= £$m \cdot \vec{g}$£
È ben evidente che la forza peso è direttamente proporzionale alla massa, infatti quando due corpi hanno la stessa accelerazione la forza esercitata dalla Terra sarà differente al variare della massa.
Poiché la forza peso è una grandezza vettoriale ha una direzione e un verso. La direzione della forza peso è una qualsiasi retta perpendicolare al suolo passante per il punto materiale che identifica il corpo, mentre il verso è rivolto sempre verso il centro della Terra.
Per quanto riguarda l’intensità della forza peso:
£$F_p = m \cdot g$£
Esempio.
Su un cane che ha massa pari a £$40 \ \text{kg}$£ al livello del mare agisce una forza peso pari al prodotto £$m \cdot g$£, che quindi misura:
£$F_p = 40 \ \text{kg} \cdot 9,81 \ \frac{\text{m}}{\text{s}^{2}} = 392,4 \ \text{N}$£
La forza vincolare: cos’è e a cosa serve
Un corpo poggiato a terra non continua a sprofondare grazie alla presenza della forza vincolare!
La forza vincolare £$\vec{N}$£ è la forza che il piano di appoggio esercita su un corpo fermo, su cui agisce una forza risultante non nulla.
Il vettore £$\vec{N}$£ ha direzione perpendicolare al piano, verso uscente e modulo pari alla componente perpendicolare della forza risultante agente sul corpo considerato, che varia a seconda della situzione e delle forze in gioco.
Esempio.
La forza vincolare di un sasso appoggiato al suolo è uguale e contraria alla componente perpendicolare al piano che, in questo caso, è la forza peso.
Invece la componente perpendicolare di un bambino, che scende da uno scivolo, non è uguale alla forza peso ma alla sua componente perpendicolare.
La forza elastica: cosa la caratterizza
La forza elastica è una forza non costante che viene generata dalla deformazione di particolari corpi che poi tendono a tornare allo loro forma originaria, che si chiamano corpi elastici.
I più famosi corpi elastici sono le molle.
Esempio.
Prendiamo in considerazione una molla di lunghezza £$L_{0}$£ (detta lunghezza a riposo) e la allunghiamo fino a raggiungere una lunghezza £$L$£.
La differenza tra la lunghezza finale e quella iniziale è detta elongazione ed è solitamente indicata con la lettera £$x$£:
£$x$£ = £$L – L_{0}$£
La molla può anche essere compressa al posto di essere allungata e in questo caso l’elongazione sarà negativa.
La forza elastica si oppone sempre all’elongazione, cercando di far tornare la molla alla sua forma originaria.
La legge di Hooke e la forza elastica
La legge di Hooke, afferma che la forza elastica di una molla, allungata o compressa, è direttamente proporzionale all’elongazione in cui la costante di proporzionalità è la costante elastica £$k$£:
£$\vec{F}_{E}$£ = £$– k · \vec{x}$£
La costante elastica dipende dal materiale della molla e si misura in £$\frac{\text{N}}{\text{m}}$£.
Attenzione!
Il meno della formula è giustificato dal fatto che la forza elastica è una forza di richiamo, ovvero ha stessa direzione ma verso opposto dell’elongazione. Quindi con un allungamento la forza è negativa mentre con una compressione la forza è positiva.
Il modulo della forza elastica, poichè ci troviamo su un’unica direzione, è pari a:
£$F_E$£ = £$– k · x$£
Esempio.
Una molla ha £$k = 100 \ \frac{\text{N}}{\text{m}}$£ devo calcolare di quanto si accorcia se essa applica una forza di £$5 \ \text{N}$£: £$x = \frac{F_e}{k} = \frac{5 \ \text{N}}{100 \ \frac{\text{N}}{\text{m}}} = 0,05 \ \text{m}$£
La forza centripeta: cos’è
Un’auto riesce ad affrontare una curva mantenendo la traiettoria senza andare fuori strada grazie alla forza centripeta rappresentata, in questo caso, dalla forza di attrito.
Quando si tratta un oggetto in moto circolare uniforme siamo sempre in presenza di un’accelerazione centripeta, cioè diretta verso il centro della traiettoria circolare.
Come ci ricorda il secondo principio della dinamica, quando è presente un’accelerazione, è anche presente una forza ad essa correlata(£$ \vec F =m\cdot \vec a $£); queste due grandezze, entrambe vettoriali, hanno stessa direzione e stesso verso.
La forza centripeta è quella forza diretta verso il centro di una circonferenza che costringe un corpo a muoversi lungo una traiettoria circolare. In sua assenza il corpo si muoverebbe di moto rettilineo uniforme.
Il modulo della forza centripeta è facilmente ricavabile dalla seconda legge della dinamica:
£$\vec{F}_{c}$£ = £$m · \vec{a_c}$£ ⇒ £$F$£ = £$m · \frac{v^{2}}{r}$£
oppure: £$F$£ = £$m · ω^{2} · r $£
La forza centripeta può essere di varia natura.
Esempi:
- se si fa ruotare una pallina legata ad un filo, la forza centripeta è rappresentata dalla tensione del filo
- la forza centripeta nella rotazione fra i pianeti è rappresentata dalla forza di attrazione gravitazionale
- la forza centripeta che permette ad un’auto di compiere una curva è rappresentata dalla forza d’attrito
Nell’ambito dei sistemi non inerziali, cioè quei sistemi in cui non vale il principio d’inerzia, si parla, in opposizione alla forza centripeta, di forza centrifuga, una forza apparente che sembra portare i corpi in moto lungo una traiettoria circolare in una direzione opposta all’accelerazione centripeta. La forza centrifuga percepita dai passeggeri in un automobile che sta affrontando una curva è dovuta al fatto che i passeggeri e il veicolo non sono un corpo rigido perchè non sono soggetti alle stesse forze; perciò, mentre l’auto affronta la curva con una certa accelerazione centripeta dovuta all’attrito delle gomme, le persone al suo interno tendono a “partire per la tangente", cioè a muoversi con una velocità £$ \vec v$£ tangente la circonferenza.