Introduzione
La forza è una grandezza fisica capace di modificare lo stato di moto o di quiete di un corpo o di causarne una sua deformazione.
Su un corpo possono agire molte forze e la loro somma è detta forza risultante.
Le forze possono agire per contatto o a distanza. La spinta che ad esempio che si da ad un corpo per farlo spostare è una forza di contatto; l’azione di repulsione o attrazione fra poli magnetici è un esempio di forza a distanza.
L’unità di misura della forza nel SI è il newton (N).
Le forze sono grandezze vettoriali
Le forze sono grandezze di tipo vettoriale e sono quindi caratterizzate da intensità, direzione e verso.
Le operazioni di somma, sottrazione, scomposizione si eseguono con le regole valide per i vettori.
Supponiamo di voler determinare la risultante di due forze F1 ed F2 rispettivamente di 4 N e 3 N, sapendo che l’angolo tra i due vettori è di 90°.
Rappresentiamo i due vettori in un riferimento cartesiano riportando il vettore F1 lungo l’asse x ed il vettore F2 lungo l’asse y.
La diagonale del rettangolo che ha per lati i due vettori è il vettore forza risultante R.
In questo caso particolare è facile determinare analiticamente l’intensità della risultante. Si applica il teorema di Pitagora al triangolo rettangolo di cui le due forze rappresentano i due cateti.
L’intensità della forza risultante è quindi uguale a:
Possiamo anche dire che F1 e F2 sono i vettori componenti del vettore R.
La forza elastica
Se proviamo ad allungare una molla fissata ad una estremità, la forza F che dobbiamo applicare cresce al crescere dell’allungamento della molla.
La molla esercita una forza contraria alla forza applicata F, una forza di richiamo che tende a riportare la molla nella condizione di partenza.
La forza che esercitiamo è uguale e opposta a quella esercitata dalla molla. La forza che la molla esercita si dice forza elastica Fe.
Attraverso esperimenti è facile constatare che gli allungamenti (x) della molla sono direttamente proporzionali alla forza applicata e quindi alla forza elastica (Fe). Possiamo scrivere la seguente relazione:
Fe = – k x
La costante di proporzionalità k è un valore caratteristico della molla ed è chiamata costante elastica.
La relazione è nota come legge di Hooke; il segno meno nella formula indica che il verso della forza elastica è sempre opposto a quello dello spostamento della molla dalla sua posizione di equilibrio.
Se la forza applicata alla molla supera un certo limite, detto limite di elasticità, la molla si deforma fino a spezzarsi. Oltre detto limite non vale la legge di Hooke.
La misura delle forze
Considerato che due forze di uguale intensità applicate ad una molla provocano gli stessi allungamenti, possiamo utilizzare una molla con un’opportuna scala graduata per la misura delle forze.
Consideriamo una molla in posizione verticale e fissata all’estremità superiore: appendiamo ad essa una massa campione (m); segniamo 1 il valore dell’allungamento prodotto per effetto del peso (Fp) della massa, che agisce verso il basso; pari a 2 il valore dell’allungamento prodotto da una massa campione doppia e così via.
L’unità di misura della forza, il Newton (N), è definito come la forza-peso di 9,8 N prodotta dalla massa campione di 1 Kg appesa ad un dinamometro tarato.
Massa e Peso
Massa e peso sono due grandezze direttamente proporzionali. Trattando del dinamometro abbiamo visto che ad un peso di 9,8 N corrisponde una massa di 1 Kg. Il peso è una forza ed è una grandezza vettoriale.
La relazione tra le due grandezze è la seguente:
P = m · g
dove g è la costante di proporzionalità che vale 9,8 N/Kg.
La massa di un corpo è una caratteristica che non varia, mentre il peso dipende da molti fattori che influenzano il valore di g. Ad esempio il valore di g sulla luna è 1/6 di quello che abbiamo sulla terra e quindi il peso sulla luna è 1/6 di quello che il corpo ha sulla terra. La massa rimane invariata.
