Quando pensiamo alla forza, subito immaginiamo lo sforzo muscolare che si compie nello spostare o sollevare un oggetto. Ma non tutte le forze sono prodotte dai muscoli, per esempio è una forza quella dei gas di scarico che spingono un veicolo spaziale durante il decollo, oppure è una forza quella esercitata dal vento e dall’acqua da cui otteniamo energie rinnovabili.
Importante tener presente che quando una forza è in azione, sono presenti sempre due corpi o due sistemi che interagiscono fra di loro.
Esistono due tipi di forze:
- da contatto, che è un’interazione che si manifesta solo quando due corpi sono in contatto tra loro come la spinta del vento sulle vele di una barca, oppure la forza di una persona che sposta un carrello;
- a distanza, cioè l’interazione che può manifestarsi tra due corpi anche se non sono in contatto tra loro come la forza di gravità con cui la Terra attira verso il basso qualsiasi oggetto.
Quando applichiamo una forza ad un corpo fermo, essa mette in movimento il corpo; se la forza è applicata ad un corpo in movimento, essa può fermarlo o in tutti casi cambiargli la direzione. Inoltre una forza applicata può anche far ruotare un corpo come nel caso di una porta girevole o anche modificare un corpo come nel caso di una molla.
Per esempio nel tiro alla fune notiamo come entrambe le squadre compiano enormi sforzi se tirano entrambe con eguale intensità, la fune resta ferma, quindi più forze applicate a uno stesso corpo possono bilanciarsi tra loro e annullare l’una l’effetto dell’altra. Quindi la forza totale che agisce sul corpo è uguale a zero.
LA FORZA, GRANDEZZA VETTORIALE
La forza è una grandezza vettoriale quindi per definirla bisogna specificarne oltre all’intensità anche il verso e la direzione. Infatti se noi dobbiamo spostare un oggetto applichiamo una certa forza e ci muoveremo lungo una certa direzione e un determinato verso.
Se un corpo è fermo e gli applichiamo una forza, la sua direzione e il suo verso saranno quelli in cui il corpo comincia a muoversi.
Se su di un corpo agissero più forze, applicheremmo la regola per addizionare i vettori. La forza totale è detta forza risultante. Useremo quindi o la regola del parallelogramma o punta coda o anche con le componenti cartesiane. Quindi: 
; se su di un corpo agiscono più forze, l’effetto complessivo corrisponde a quello prodotto da un’unica forza , questa proprietà è detta principio di sovrapposizione.
Quando si applica una forza è importante specificarne anche il punto di applicazione . Infatti se applichiamo una forza all’estremità di una matita posta su di un tavolo, essa tenderà a ruotare, se invece la stessa l’applichiamo al centro dell’oggetto, la matita si sposterà parallelamente a se stessa.
Per misurare l’intensità di una forza si usa il dinamometro che usa la proprietà delle molle.
Questo strumento è formato da un cilindro graduato a cui è attaccata e infilata una molla. Alle due estremità c’è un gancio, uno per attaccare il dinamometro a una postazione ferma e l’altro per applicare la forza.
Una volta applicata la forza si legge il valore sulla scala graduata.
Come unità di misura della forza si usa il newton (simbolo N).
Dove un newton è l’intensità della forza peso con cui la Terra attrae un corpo di massa uguale a 102 g posto sulla sua superficie.
FORZA PESO
La forza peso è una grandezza vettoriale la cui direzione è perpendicolare alla superficie terrestre con il verso che va dall’alto verso il basso. Il modulo è dato dalla formula .
Notiamo che massa e peso, quindi forza peso, sono grandezze diverse. Infatti la massa esprime la quantità di materia ed è una grandezza scalare e si misura con la bilancia a due bracci.
Il peso è una grandezza vettoriale ed è diversa a seconda del luogo che si considera, se si sale rispetto al livello del mare, la forza diminuisce. Su un aereo a 10 000 m di altezza la forza-peso che agisce su una persona è più piccola rispetto a quella che agisce sulla stressa persona a livello del mare, ciò perchè normalmente g= 9,81 N/Kg mentre sull’areo è 9,77 N\Kg.
Ma le differenze maggiori si riscontrano da un pianeta all’altro, infatti, poichè la l’accelerazione di gravità della luna è un sesto di quella della Terra, quindi il nostro peso sarà minore sulla Luna nonostante la nostra massa si la stessa in entrambe i luoghi.
LA FORZA ELASTICA
Prendiamo in considerazione una molla e notiamo come se essa viene compressa o allungata, una volta eliminata la forza che ha generato questo cambiamento, la molla torna alla posizione originale detta lunghezza a riposo. Praticamente accade che la molla risponde alla forza che gli è stata impressa con una forza opposta. Quindi se una forza comprime la molla, la molla risponde con una forza opposta che tende a far riallungare la molla.
Quindi la forza che una molla allungata o compressa esercita su qualunque corpo è chiamata forza elastica.
La forza di una molla è possibile misurarla con un dinamometro che metterà in evidenza che quando l’allungamento della molla raddoppia o triplica anche la forza elastica raddoppia o triplica. Quindi si deduce che forza elastica e allungamento sono direttamente proporzionali. Avviene lo stesso se invece di allungare la molla la comprimiamo.
Questa relazione che unisce forza elastica e variazione della lunghezza è chiamata legge di Hooke. Essa è uguale a:
= -k •
Il segno meno è presente per indicare che la forza ha la stessa direzione di x ma verso opposto.
k è la costante di proporzionalità ed è chiamata costante elastica. Essa è una caratteristica che distingue una molla dall’altra. Più k è grande e più la molla è rigida.
Se una molla viene allungata troppo può deformarsi in modo permanente , perdendo la sua elasticità.
LE FORZE DI ATTRITO
Quando camminiamo sull’asfalto o su una lastra di ghiaccio notiamo una differenza, oppure quando giriamo il cucchiaino in un bicchiere d’acqua oppure di miele. La differenza è dovuta alle forze di attrito che sono forze di contatto e si oppongono sempre al movimento dei corpi.
Essi si dividono in:
- forza di attrito radente che si esercita tra due superfici a contatto, come appunto la suola delle scarpe con l’asfalto;
- forza di attrito viscoso, si genera quando un corpo si muove in un fluido, come nel caso di un paracadutista a contatto con l’aria;
- forza di attrito volvente, si esercita durante il rotolamento di un oggetto su una superficie.
LA FORZA DI ATTRITO RADENTE
Quando due superfici entrano in contatto si verifica come se ci fosse una resistenza al tentativo di mettere in moto il corpo da fermo e si chiama attrito radente statico.
Se esso è in movimento si avverte come se ci fosse un ostacolo al moto del corpo, parliamo di attrito radente dinamico.
Se volessimo spostare un corpo su una superficie, applichiamo una forza, se essa è piccola il corpo non si sposta, perchè la forza applicata è bilanciata dalla forza di attrito radente statico, infatti se le due forze venissero misurate avrebbero la stessa intensità.
Se aumentiamo la forza applicata, notiamo che il corpo comincia a muoversi, questo perchè la forza applicata ha superato la forza di attrito.
Possiamo anche affermare che la forza di attrito dipende dai materiali in cui sono fatte le superfici, è parallela alle superfici a contatto ed ha un verso tale da opporsi al movimento, inoltre non dipende dall’area di contatto tra le superfici ed è direttamente proporzionale alla forza , cioè la forza permanente che spesso capita essere uguale alla forza peso.
In definitiva la formula possiamo scriverla così:
è il modulo massimo della forza di attrito statico, essendo una forza si misura in newton (N)
è il coefficiente di attrito statico, non ha unità di misura.
è la forza perpendicolare cioè la forza con la quale il corpo preme sulla superficie di appoggio in direzione perpendicolare alla superficie stessa. Essa per la maggior parte delle volte coincide con la forza peso.
Per quanto riguarda l’attrito radente dinamico esso è presente quando per esempio un corpo scivola su un piano. Anch’esso come quello statico dipende dai materiali delle superfici a contatto, non dipende dall’area di contatto, è parallela alle superfici, ha verso opposto a quello del moto, infine il suo modulo lo si ottiene come :
è il modulo della forza di attrito dinamico
è il coefficiente d’attrito dinamico
è la forza perpendicolare cioè la forza con la quale il corpo preme sulla superficie di appoggio in direzione perpendicolare alla superficie stessa.
Il coefficiente è sempre minore di , infatti quando spingiamo un oggetto, la resistenza che incontriamo diminuisce nel momento in cui l’oggetto comincia a muoversi.
