LA FORZA
Per FORZA si intende una mutua interazione tra due corpi diversi.
Questo significa che, se un corpo è sottoposto all'azione di una forza, deve
essere presente un altro corpo nelle vicinanze, cioè nell'ambiente esterno al
corpo stesso.
Ci sono sostanzialmente due modi di rappresentare l'interazione tra corpi
diversi:
• una azione che si manifesta a distanza
(secondo questo concetto la Terra e la Luna si attraggono senza bisogno di
contatto);
• i corpi creano un campo, cioè una modifica dello spazio circostante che diventa
un intermediario per altri corpi che si trovino nel campo
(per esempio la presenza della Terra crea un campo gravitazionale che esercita
una forza sulla Luna).
:
Per avere una forza c'è bisogno della presenza di due corpi diversi e ognuno
dei due corpi è sottoposto all'azione dell'altro.
Vediamo qualche esempio
Corpo 1 (Sistema)
Corpo 2 (Ambiente)
Interazione
Terra
Luna
Forza di attrazione
gravitazionale
oggetto che cade
Terra
Forza di attrazione
gravitazionale
pugile 1
pugile 2
Forza di un pugno
chiodo di ferro
calamita
Forza di attrazione
magnetica
elastico
persona
Forza per allungare
l'elastico
valigia
facchino
Forza per trainare la valigia
La grande varietà delle forze naturali, si riduce a poche forze fondamentali:
• le forze gravitazionali che tengono insieme l'universo, pur essendo le più deboli
•le forze elettriche e magnetiche di cui fanno parte anche tutte le forze di contatto
•le forze nucleari deboli responsabili della radioattività
•le forze nucleari forti che tengono insieme i nuclei degli atomi
DINAMOMETRO
Lo strumento per misurare le forze si chiama dinamometro.
Il dinamometro è una molla elastica che si allunga (o si comprime) in
modo proporzionale alla forza applicata (o meglio alla coppia di
forze, perché il dinamometro si deforma se sollecitato da due parti
opposte) e che ritorna alla lunghezza iniziale quando la
sollecitazione finisce.
La scala del dinamometro è normalmente tarata in newton (simbolo
N) che è l'unità di misura della forza nel Sistema Internazionale.
Il newton è una unità di misura derivata e corrisponde all'incirca alla
forza con cui la Terra attira una massa di 100 g (cioè il peso di una
massa di 100 g).
Se l'intensità della forza è troppa, la molla può perdere elasticità o
addirittura rompersi, quindi ogni dinamometro va utilizzato entro
determinati limiti (portata dello strumento).
LA PRESSIONE
Per deformare un oggetto solido, per esempio una palla di gomma, occorre che
qualcosa al di fuori dell'oggetto eserciti su di esso una coppia di forze.
Come si può esercitare una forza su un corpo fluido?
Chiamiamo fluidi tutti i corpi che non si trovano in fase solida:
sono fluidi i liquidi, i vapori e i gas.
Il comportamento di un corpo fluido è diverso da quello di un corpo solido:
il fluido non ha forma propria, ha bisogno di un contenitore per essere maneggiato.
Come possiamo comprimere dell'acqua o dell'aria?
L'acqua e i liquidi in genere sono pochissimo comprimibili, a meno di non esercitare
forze enormi; l'aria e i gas invece si comprimono facilmente.
Come si esercitano queste forze?
.
Consideriamo un piccolo recipiente cilindrico, chiuso da
uno stantuffo libero di scorrere (si pensi a una comune
siringa in cui il buco dell'ago sia stato tappato): si può
esercitare una forza sull'aria contenuta nel cilindro
spingendo sullo stantuffo.
Quindi per agire sui corpi fluidi abbiamo bisogno di
distribuire la forza su una superficie:
la forza esercita una pressione se il suo effetto si
distribuisce su una superficie perpendicolare alla
direzione della forza.
La pressione è una nuova grandezza fisica utilizzata specialmente quando si
tratta di fluidi.
Quando la forza è perpendicolare (normale) alla superficie, la pressione è
definita come il rapporto tra l'intensità della forza e la superficie.
Pressione = forza (normale) / superficie
p=F/S
La forza è una grandezza vettoriale, la pressione è uno scalare.
Essa ha quindi una intensità, ma non una direzione e si somma algebricamente
come tutte le grandezze scalari.
L'unità di misura della pressione nel SI è il pascal (simbolo Pa):
1 Pa = 1 N / m2
Questa unità di misura è molto piccola perchè rappresenta una piccola forza
di 1 N distribuita su una grande superficie di 1 m2.
Molto comunemente si usano i kPa.
Principio di Pascal
La pressione esercitata in un
punto qualunque di un fluido, si
trasmette inalterata su tutti i
punti del fluido
Con una piccola forza sul pedale del freno di un'automobile la pressione si
trasmette attraverso il liquido del circuito frenante fino alle ganasce che hanno una
grande superficie ed esercitano, a parità di pressione, una grande forza sul disco
collegato alle ruote.
La pressione atmosferica
Per avere un'idea della pressione atmosferica possiamo
considerare un comune beverino per uccellini:
esso è costituito da un piccolo recipiente che viene riempito
d'acqua e poi capovolto su una vaschetta dalla quale l'uccellino può
bere.
Sull'acqua della vaschetta si esercita la pressione atmosferica e la
pressione della riserva d'acqua nella colonnina.
Se fosse maggiore la pressione della riserva d'acqua, l'acqua
traboccherebbe dalla vaschetta, invece essa è trattenuta nella
colonnina perché la pressione atmosferica è maggiore di quella
della riserva d'acqua.
In realtà con l'acqua non è possibile misurare in laboratorio la pressione
atmosferica: per eguagliarla ci vorrebbe una colonna d'acqua alta più di 10 metri!
Questa misura si può fare utilizzando un liquido molto più denso dell'acqua, come il
mercurio.
A parità di forza, la pressione è inversamente proporzionale alla superficie:
la pressione diminuisce se
la pressione aumenta se
si cammina sulla sabbia piuttosto
che sui sassi
si calzano scarpe chiodate o tacchi
a spillo
si hanno zampe grosse come
quelle degli elefanti
la lama di un coltello che taglia il
pane è affilata
si cammina sulla neve con le
ciaspole o gli sci
si spinge una puntina da disegno
nel legno
Esperienza di Torricelli
La misura della pressione atmosferica con il
mercurio (esperienza di Torricelli) fornisce, al livello
del mare e in condizioni climatiche standard, un
valore uguale alla pressione di una colonna di 760
millimetri di mercurio, detta anche 1 atmosfera.
1 atmosfera = 760 mmHg (millimetri di mercurio)
I millimetri di mercurio (o torr) non sono una unità
di misura SI, ma sono usati in ambito medico per la
misura della pressione del sangue.
E’ possibile convertirli in Pascal
Principio di Stevino
La forza peso può essere espressa come
prodotto della massa m del liquido per il
campo gravitazionale g e la massa, a sua volta
è data dal prodotto della densità d del liquido
per il suo volume V.
Tenendo conto del significato dei simboli,
osserva i passaggi qui a lato.
Poichè il volume del liquido è dato dal
prodotto dell'area di base per l'altezza h della
colonna, si ha che V/S = h
La pressione di una colonna di liquido è proporzionale all'altezza della
colonna, alla densità del liquido e al campo gravitazionale.
Essa non dipende dalla superficie di base.
p=dgh
Nel nostro caso si ha p= dgh con:
h = 760 mm = 0,76 m
d = 13 595 kg/m3
g = 9,8 N/kg
p = 0,76 m * 13 595 kg/m3 * 9,8 N/kg = 1,013 105 Pa = 1 atmosfera
La pressione atmosferica ha quindi un ordine di grandezza di 105 Pa, oppure di
103 hPa (normalmente si usano gli ettopascal).
La pressione atmosferica viene anche misurata in bar (= 105 Pa), ma questa non
è una unità di misura SI.
Spinta di Archimede
La forza diretta verso l'alto sui corpi immersi in un fluido
si dice spinta di Archimede.
L'intensità della spinta di Archimede è uguale al peso del
volume spostato dal corpo immerso.
FA = d g V
La spinta di Archimede è la forza responsabile del galleggiamento dei corpi.
Se una barca è immobile nell'acqua, la situazione di equilibrio è dovuta
all'azione di due forze opposte che si bilanciano:
la forza peso diretta verso il basso e la spinta di Archimede diretta verso l'alto.
In un corpo che galleggia la percentuale di volume immerso rispetto al totale è
uguale al rapporto tra la sua densità e la densità del fluido
Vi /V = d / df
Un tappo di sughero (d = 240 kg/m3) rimane immerso per il 24% del suo volume
in acqua, per il 34% nella benzina e solo per il 2% nel mercurio.
La spinta di Archimede non dipende dalla densità del corpo immerso, ma da
essa, o meglio dal confronto tra le due densità del corpo e del fluido, dipende il
tipo di galleggiamento o il non-galleggiamento.
• se la densità del corpo è minore di quella del fluido, allora il corpo immerso sale
verso l'alto e galleggia
• se la densità del corpo è maggiore di quella del fluido, allora il corpo va a fondo
•se la densità del corpo è uguale a quella del fluido, allora il corpo immerso
rimane dov'è (equilibrio indifferente)
La spinta di Archimede si esercita sia su corpi immersi nei liquidi, sia
su corpi immersi nei gas e quindi su qualunque oggetto che ci
circonda che è immerso nell'aria.
Poichè la densità dell'aria è solo dell'ordine di 1 kg/m3, questa forza è
spesso trascurata, anche se nelle pesate di precisione bisogna tener
conto di questo effetto.
La spinta dell'aria è invece importante per corpi di densità minore di
quella dell'aria: su questo effetto si basa la costruzione degli aerostati,
come le mongolfiere o i dirigibili, ma anche l'ascesa di un comune
palloncino riempito di elio.