Scienza e Tecnologia Fisica Integrata Le Forze

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Scienza e Tecnologia Fisica Integrata Le Forze

SCIENZE - FISICA - LE FORZE

PRESENTAZIONE

Quando si spinge o si tira un oggetto, si esercita su di esso una forza. La forza è la causa che perturba lo stato di quiete o di moto di un corpo. Gli elementi che caratterizzano una forza e la determinano sono: punto di applicazione, intensità, direzione e verso. Il punto di applicazione è quel punto del corpo che risentirebbe l'azione della forza anche se fosse staccato dagli altri punti. L'intensità dipende dal maggiore o minore sforzo esercitato e trasmesso al punto di applicazione, e viene misurata mediante il dinamometro. La direzione della forza è quella nella quale avrebbe inizio il movimento, se la forza fosse applicata, da sola, su di un corpo fermo e non vincolato. Il verso stabilisce l'una o l'altra delle due orientazioni. Le forze sono grandezze vettoriali e vengono rappresentate mediante un segmento, munito di freccia in cui il primo estremo rappresenta il punto d'applicazione. La forza risultante o totale applicata ad un oggetto è uguale alla somma vettoriale di tutte le forze che agiscono sull'oggetto. Per esempio, se ad un oggetto sono applicate due forze di uguale intensità e direzione, ma di verso opposto, la forza risultante è nulla

               F/1             F/1            F/2
           ---------->      ---------->     ---------->
           <---------      <------------------------
               F/2                     F
               (a)                    (b)
Nel primo esempio (a) le forze F/1 ed F/2 hanno la stesse intensità ma sono opposte, per cui la loro somma è zero. Nel secondo esempipo (b) poiché F/1 e F/2 sono uguali, la loro risultante è F = F/1 + F/2 = 2F/1. Le forze che si manifestano soltanto quando due oggetti sono a contatto sono chiamate forze di contatto. Sono esempi di ciò la forza che una molla compressa esercita su un corpo attaccato ad una sua estremità, la forza diretta verso l'alto che il piano di un tavolo esercita su un libro appoggiato su di esso e la forza che un muscolo che si contrae esercita su un osso. Altri tipi di forze, invece, tra cui quelle gravitazionali, magnetiche ed elettriche, sono esercitate tra corpi che non sono a contatto. Per poter stabile delle relazioni quantitative sulle forze, si deve definire una unità di misura per queste. Un modo di stabilire una scala per le forze è quello di misurare con un dinamomero a molla la forza gravitazionale che si esercita su un determinato corpo assunto come assunto campione, in condizioni determinate e riproducibili. Il dinamometro permette la misura della forza che si esercita sul corpo ad esso attaccato in quanto, se la molla viene compressa da questa forza, l'indice solidale all'estremo mobile della molla si muove su una scala graduata permettendo la determinazione della deformazione della molla e quindi della forza che l'ha provocata. Quando il campione viene posto sul piatto assicurato alla molla, l'indice si sposta di una certa quantità che viene assunta come spostamento unitario. Si dice cioè che il corpo campione esercita una forza unitaria sulla molla. Se si ripete la misura in punti della superficie terrestre in cui l'accelerazione di gravità è la stessa, si otterrà sempre la stessa lettura. La scala potrà poi essere determinata usando più corpi identici a quello campione con i quali si individuano le deformazioni della molla corrispondenti a due unità di forza, tre unità di forza e così via. Con una scala così calibrata si possono successivamente misurare altre forze, sempre determinando la compressione della molla. È possibile definire l'unità di misura della forza anche mediante una misura dell'accelerazione corrispondente all'applicazione della forza ad un corpo campione. L'unità di misura della forza è diversa in ciascuno dei più importanti Sistemi di unità di misura. Nel Sistema MKS l'unità di misura della forza è il Newton (N), nel Sistema CGS è la Dina, nel Sistema Inglese la libbra (lb) e, nel Sistema Pratico, il Chilogrammo peso (kg/p). Tra queste unità di misura intercorre la seguente relazione: 1N = 10 alla quinta dine = 0.225 lb = 0.102 kg/p Tra le forze più note ricordiamo la forza centripeta, che è il prodotto della massa di un corpo, moltiplicata per la sua accelerazione centripeta e si origina quando il corpo si muove lungo una traiettoria curvilinea; la forza centrifuga, che fa equilibrio alla forza centripeta; la forza d'inerzia che è il prodotto della massa di un corpo in movimento per la sua accelerazione cambiato di segno; la forza elettrica che, in un campo elettrico, agisce su di una carica elettrica; la forza magnetica che, in un campo magnetico, agisce su di una carica magnetica; la forza magnetomotrice che, in un circuito magnetico magnetizzato per mezzo di un avvolgimento induttore, è la generatrice del campo magnetico espressa dal prodotto della corrente magnetizzante moltiplicata per il numero delle spire dell'avvolgimento induttore.

LE LEGGI DI NEWTON

Il fisico e astronomo inglese Isaac Newton formulò tre leggi che sono ancora oggi alla base della dinamica, una parte della fisica classica che studia il moto causato dalle forze: - la prima legge dice che un corpo non soggetto all'azione di forze mantiene il suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme. Questa legge fu, in realtà, già enunciata da Galileo Galilei; - la seconda legge spiega la relazione tra forza, massa e accelerazione, di cui abbiamo già parlato, e dice che accelerazione e forza hanno la stessa direzione; - la terza legge dice che ogni corpo che esercita una forza su un secondo corpo, da questo riceve una spinta (forza) di uguale intensità e direzione ma di verso contrario. Il principio propulsivo dei razzi e degli aerei a reazione si fonda sulla terza legge della dinamica: i motori del veicolo espellono molto velocemente grandi quantità di prodotti della combustione dei carburanti e ne ricevono una spinta in senso contrario proporzionale alla massa dei prodotti espulsi. Tutte queste leggi sono perfettamente verificabili solo in assenza delle forze di attrito. Tra due superfici a contatto tra loro, che scorrono con velocità e direzione diverse, si sviluppa una forza che si oppone al movimento di scorrimento: tale forza è l'attrito e la sua intensità dipende dalla natura chimica delle superfici a contatto, dal loro stato fisico, dalla velocità di scorrimento e da altri fattori. Immaginatevi una pista da bowling lunga chilometri; se non ci fosse attrito con l'aria e con la superficie della pista potremmo lanciare la boccia con una forza qualunque, anche minima, ed essere sicuri che continuerà a rotolare fino in fondo alla pista (prima legge della dinamica). Invece, per quanto forti e bravi, a causa dell'attrito non riusciamo a fare un lancio più lungo di qualche centinaio di metri. In pratica, se non ci fosse attrito esisterebbe il moto perpetuo. Il motivo per cui la Luna orbita intorno alla Terra e la Terra intorno al Sole da svariati miliardi di anni senza mai fermarsi, risiede proprio nella mancanza di attrito nello spazio, dovuta all'assenza di aria. Trapani La teoria di Newton sulla gravitazione universale

LA FORZA DI GRAVITÀ

La forza di gravità che la Terra esercita sui corpi, a causa della quale essi cadono verticalmente, non è che un caso particolare dell'attrazione universale, scoperta e definita dal grande scienziato inglese Isaac Newton. Partendo dall'osservazione della caduta dei corpi sulla Terra, egli pervenne a stabilire che l'attrazione esercitata questa doveva essere necessariamente propria anche degli altri corpi celesti, e che quindi tutti gli astri si attraggono scambievolmente; di conseguenza anche i loro movimenti sono dovuti a questa reciproca azione attrattiva. Newton stabili quindi che una delle grandi leggi che regolano la natura è l'attrazione che tutte le masse materiali, dalle più piccole alle più grandi, esercitano reciprocamente le une sulle altre. Questa attrazione varia in proporzione diretta della massa e in proporzione inversa del quadrato della distanza, cioè mentre ad una massa doppia o tripla corrisponde una forza attrattiva doppia o tripla, raddoppiando o triplicando la distanza la forza attrattiva diventa quattro o nove volte minore: dimezzando o riducendo ad un terzo la distanza, la forza attrattiva diventa quattro o nove volte maggiore. L'attrazione reciproca degli astri è detta anche forza di gravitazione. Trapani La teoria di Newton sulla gravitazione universale

IL MOTO DEI CORPI

Un corpo o un sistema di corpi si dicono in movimento quando variano nel tempo la loro posizione rispetto a un dato punto di riferimento. Lo studio del moto utilizzando metodi matematici, indipendentemente dalle cause che lo provocano, è oggetto della cinematica; le relazioni tra il movimento e le cause fisiche che lo producono sono invece studiate dalla dinamica. Non si può parlare di moto in senso assoluto, poiché il movimento è un concetto relativo al sistema di riferimento rispetto a cui esso è osservato e descritto. Ad esempio, il Sole sembra muoversi rispetto a un osservatore terrestre, ma per un osservatore solare è la Terra ad essere in movimento. Per studiare il moto è dunque sempre necessario specificare il punto di riferimento. Un corpo è in quiete quando le posizioni di tutti i suoi punti rimangono immutate rispetto al sistema di riferimento; in caso contrario, è in movimento. Il moto di un corpo rigido può essere di traslazione e di rotazione. Nel primo caso il moto è rappresentato da uno spostamento di tutti i punti del corpo in una stessa direzione. Il secondo è dato invece da un moto in cui ogni punto del corpo si muove su una circonferenza attorno a un asse, interna o esterna al corpo. La curva geometrica rappresentata dai punti occupati successivamente da un generico punto P durante il suo moto, prende il nome di traiettoria. Quando la traiettoria giace interamente su un piano, il moto si definisce piano. Secondo la forma geometrica della traiettoria, si può avere un moto rettilineo, circolare, ellittico, parabolico, ecc. Su una stessa traiettoria il moto può variare rispetto alla velocità: se la traiettoria è percorsa a velocità costante si ha un moto uniforme; se vi è un modulo di accelerazione costante, si ha un moto uniformemente accelerato; infine, se la velocità e l'accelerazione variano nel tempo, si ha un moto vario. Si definisce moto circolare quello la cui traiettoria è rappresentata da un cerchio di raggio r; se la velocità è la stessa ad ogni istante, si ha un moto circolare uniforme. Sulla base della prima legge di Newton, si deduce che un corpo che si muove di moto circolare uniforme è sottoposto a una forza diretta verso il centro. Altri moti di notevole importanza sono il moto oscillatorio e quello armonico. Il primo si realizza quando un corpo si sposta, alternativamente, da una parte e dall'altra rispetto a una posizione fissa. Quando la variazione temporale della posizione del corpo è di tipo sinusoidale, si ha un moto oscillatorio armonico. È più facile che questo si realizzi quando l'ampiezza dell'oscillazione è piccola rispetto agli altri parametri del sistema. Ad esempio, un corpo attaccato a un elastico si muove di moto armonico quando l'elastico viene deformato in misura trascurabile rispetto alla sua lunghezza. Non va dimenticato il moto dei gravi, cioè il moto di un corpo sottoposto alla forza di attrazione gravitazionale, la cui traiettoria può variare secondo le diverse situazioni fisiche. Se lungo una stessa direzione o su direzioni diverse si sovrappongono più moti distinti, si parla di moti composti. Ad esempio, un corpo, come la Terra, può muoversi di moto rotatorio e contemporaneamente di traslazione.

IL PRINCIPIO DI INERZIA

Il principio di inerzia, stabilita da Galileo, è uno dei principi fondamentali della dinamica. Afferma che un corpo sottratto a ogni azione fisica o sta fermo o si muove di moto rettilineo uniforme. Imprimiamo una forza a una pallina: appena ricevuta la spinta parte veloce e poi man mano rallenta fino a fermarsi, a causa dell'attrito. In completa assenza di attrito la pallina continuerebbe a muoversi indefinitamente con velocità costante. Osservando il moto della pallina, notiamo che procede in linea retta fino a che non incontra ostacoli. Urtando contro un oggetto cambia improvvisamente la direzione del suo moto in seguito alla spinta ricevuta dall'ostacolo. Possiamo quindi ribadire che se un corpo è in quiete rimane fermo a meno che non intervenga una forza che lo metta in movimento; se è in moto continuerà a muoversi con velocità costante e in direzione rettilinea fino a che non intervenga una forza a disturbare il suo moto.

IL PRINCIPIO DI ARCHIMEDE

È uno dei principi fondamentali dell'idrostatica, postulato da Archimede, matematico e fisico siracusano (287-212 a.C.). Il principio afferma che un corpo immerso in un fluido riceve una spinta verticale diretta dal basso verso l'alto (spinta idrostatica) pari al peso del fluido spostato e applicata al centro di gravità (detto centro di spinta) del fluido spostato. Questo principio trova la sua applicazione più importante nello studio dell'equilibrio dei galleggianti. Conseguenza di questo principio è che, se il peso di un corpo immerso in un liquido supera la spinta archimedea, il corpo si muove verso il basso nel liquido; se invece la spinta prevale sul peso del corpo, questo emerge in parte sulla superficie del liquido o, come può dirsi comunemente, galleggia. Perché venga assicurato l'equilibrio di un galleggiante è necessario che il suo centro di gravità e il centro di spinta stiano sulla stessa verticale. Se i due centri non sono allineati sulla stessa verticale, le due forze ad essi applicate danno luogo ad un movimento tendente a far ruotare il corpo fino a portarlo nella sua posizione di equilibrio stabile. In una nave, per esempio, la galleggiabilità, a parità di condizioni, è tanto maggiore quanto maggiore è la riserva di spinta (la forza verticale diretta dal basso verso l'alto è uguale al peso del liquido spostato che si esercita sui corpi immersi nei liquidi); la galleggiabilità è anche inversamente proporzionale al peso dell'acqua che può temporaneamente sommergerla se il mare è agitato. E` anche inversamente proporzionale al volume dell'acqua che penetra all'interno dello scafo in caso di una falla o di altra via d'acqua. Per ovviare all'inconveniente del peso dell'acqua (o del suo volume) che può invadere le zone esposte della nave (temporanea sommersione) si rimedia adottando un "bordo libero" piuttosto alto. Ma numerosi altri espedienti vengono usati per rendere maggiore la galleggiabilità nei casi d'invasione da parte dell'acqua marina sulle parti esposte. Gli organi di galleggiamento sono quegli apparati, più o meno semplici, che consentono a moltissimi organismi unicellulari, sia animali sia vegetali, di mantenersi a galla sui liquidi e, in particolare, sull'acqua. In molte forme gli organi di galleggiamento sono rappresentati da pseudo-vacuoli o vacuoli gassosi, simili a piccole bollicine che contengono del gas.

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