LE FORZE
Che cos’è la forza ?
Il vocabolario italiano
dà come sinonimi
robustezza, energia,
vigore, potenza, vitalità,
prestanza …
Ma IN FISICA il significato è diverso.
LA FORZA NON ESISTE NELLA REALTÀ
È UN’ INTERPRETAZIONE
È UN MODELLO DELLA REALTÀ
CHE SPIEGA LE INTERAZIONI CHE
AVVENGONO IN NATURA
LE FORZE SEMBRANO MOLTE MA …
A prima vista le forze sembrano essere molte e assai
diverse tra loro (forza peso, forza elettrica, forza
magnetica, forze muscolari, forze di attrito, forze
elastiche, resistenza dell’aria, forze intermolecolari …)
ma non è così.
Negli ultimi tre secoli i fisici si sono accorti che per
spiegare ogni interazione tra corpi, ogni struttura che si
possa osservare o creare nell’universo, bastano quattro
forze … e forse anche meno di 4.
Sono fondamentali
4 INTERAZIONI
1. Interazione gravitazionale
2. Interazione elettromagnetica
3. Interazione forte
4. Interazione debole
La
forza
gravitazionale
è
comune a tutta la materia: tutti i
corpi materiali si attraggono
reciprocamente (non è mai
repulsiva)
gravitazionale
La forza elettromagnetica è
prodotta
dalle
cariche
elettriche:
essa
è
sia
attrattiva che repulsiva
elettromagnetica
La forza nucleare debole
agisce all'interno dei nuclei
atomici: essa è responsabile
della radioattività
nucleare debole
nucleare forte
La forza nucleare forte
agisce all'interno dei nuclei
atomici: essa tiene assieme
protoni e neutroni
NOTA BENE
C’ è differenza tra massa e peso:
la massa resta costante, il peso cambia
Nella fisica classica c’è differenza tra
massa inerziale e massa gravitazionale
MASSA INERZIALE E GRAVITAZIONALE
Nella meccanica newtoniana la massa inerziale e la
massa gravitazionale sono due concetti diversi.
La definizione operativa di massa inerziale è diversa,
indipendente, da quella di massa gravitazionale, quindi
sono due grandezze fisiche diverse.
Non c’è motivo di ritenere a priori che non possano
esistere corpi facili da accelerare ma che attirino
intensamente altri corpi
Però l’esperienza ci dice che in natura questo non
avviene mai
L’esperienza ha messo in evidenza che i risultati
ottenuti con la bilancia sono sempre in accordo con i
risultati ottenuti con il confronto delle accelerazioni.
Detta mg la massa gravitazionale di un corpo, il suo
peso si può esprimere come
Fp = mg . g
Per la seconda legge della dinamica, tale forza
imprimerà al corpo una accelerazione inversamente
proporzionale alla sua massa inerziale mi
F = mi . a
Fp /mi = a
a = (mg/mi).g
tale accelerazione, quella con cui cadono gli
oggetti nel vuoto, sarebbe diversa per corpi a
cui corrispondessero diversi valori del
rapporto
Massa gravitazionale / Massa inerziale
cioè
mg/mi
il dato sperimentale è che a è la stessa per
tutti i corpi, quindi
quindi
mg = mi
a=g
sarebbe ragionevole aspettarsi che il rapporto mg/mi
dipenda da elementi quali la composizione chimica
del corpo, la sua temperatura o qualche altra
caratteristica fisica del corpo, l’accelerazione in
caduta libera sarebbe allora diversa per oggetti
diversi.
IL POSTULATO DI EQUIVALENZA
L’IDENTITÀ
TRA
MASSA
INERZIALE
E
GRAVITAZIONALE È IL POSTULATO SU CUI SI
FONDA L’INTERA TEORIA DELLA RELATIVITÀ
GENERALE DI EINSTEIN
Il significato fisico dell’uguaglianza tra massa
inerziale e massa gravitazionale resta sconosciuto.
La massa è il concetto più criticato della fisica che
“sembra eludere tutti i tentativi di una chiarificazione
completa e di una definizione logicamente e
scientificamente inattaccabile”
MAX JAMMER, STORIA DEL CONCETTO DI MASSA
• LA FORZA È UN VETTORE
• le forze agiscono sempre in due
Per determinare una forza serve
• un numero seguito da un’unità di misura
• una direzione
• un verso
Come la FORZA anche
• LO SPOSTAMENTO È UN VETTORE
• LA VELOCITÀ È UN VETTORE
• L’ACCELERAZIONE È UN VETTORE
• LA QUANTITÀ DI MOTO È UN VETTORE
•…
clicca qui per saperne di più sui vettori
il TEMPO e la MASSA
l’ ENERGIA, IL LAVORO …
non sono vettori
sono grandezze scalari
Individuate da un numero
e da un’unità di misura
PIANO INCLINATO E FORZA COSTANTE
Il modo migliore per
ottenere
una
forza
costante è un piano
inclinato.
peso
Componente
del peso che
trascina
verso il
basso
Perché?
ingrandimento
Componente del
peso che preme
perpendicolarme
nte contro il piano
UNA SITUAZIONE FISICA REALE
RAPPRESENTAZIONE FISICA
A
ISOLIAMO L’OGGETTO CHE CI INTERESSA
B
SCEGLIAMO UN CONVENIENTE SISTEMA DI RIFERIMENTO
C
QUAL È LA FORZA CHE FA AVANZARE LA POLTRONA?
W = PESO
poltrona
F
=
forza
dall’uomo
(mg)
della
applicata
SCOMPONIAMO LE FORZE
NELLE LORO COMPONENTI
SISTEMA DI
RIFERIMENTO
N = FORZA NORMALE
(perpendicolare) reazione
vincolare della superficie
d’apppoggio
N = Wy + Fy = -W + Fy
N = Wy + Fy = -W + Fy
Fx è la componente della forza, applicata dall’uomo utile
all’avanzamento della poltrona.
D. SCOMPONIAMO LE FORZE
Sistema di
riferimento
N
Reazione
vincolare
F
W = PESO = mg
Peso della
poltrona
W = mg
F è la
Forza applicata
dall’uomo
Se non c’è attrito tra la poltrona e il pavimento allora
la forza che fa avanzare la poltrona è Fx
Senza attrito basterebbe una piccola spinta e …
LA POLTRONA
viene
rappresentata
con un punto,
un punto di massa
uguale a quella della
poltrona
Fx
F
Ma se c’è attrito le cose sono diverse.
MASSIMA FORZA
DI ATTRITO
STATICO
Fx

F = forza applicata
Bisogna aggiungere una forza allo schema: la forza di
attrito.
Dato che la forza di attrito dipende anche dalla forza
normale, la forza cioè con cui l’oggetto preme
perpendicolarmente sul pavimento, la forza applicata
dall’uomo aumenta la massima forza di attrito statico.
N: reazione vincolare
Fx

W = Peso
Fy
F = Forza applicata
dall’uomo
Infatti la massima forza di attrito statico è
Fa = N
nel nostro caso
Fa = .(Peso + FY)
SE C’È ATTRITO,
L’UOMO RIUSCIRÀ A SPOSTARE LA POLTRONA?
Non è detto
dipende dal coefficiente di attrito 
l’uomo non sa spingere
Il calcolo da fare è il seguente
Fa = Fx
 . N = Fx
. (mg + Fy) = Fx
Se  non è inferiore a
1 / tan
la poltrona non si sposta
FORZA DI ATTRITO STATICO E DINAMICO
È La forza che si oppone al “distacco” della poltrona
dal pavimento.
Serve una forza per mettere in moto la poltrona, per
staccarla dal pavimento e farla scivolare sulla
superficie.
Dopo che è avvenuto il distacco, se l’uomo manterrà
la stessa spinta che gli è servita per mettere in moto
la poltrona, questa si muoverà di moto accelerato,
dato che
LA FORZA DI ATTRITO DINAMICO è INFERIORE
ALLA FORZA CHE SERVE PER STACCARE LA
POLTRONA DAL PAVIMENTO
FORZE ESTERNE E FORZE INTERNE
• L’uomo spinge la poltrona con una forza F, la
forza è applicata alla poltrona .
• La poltrona spinge l’uomo con la stessa
forza, la forza è applicata all’uomo.
• Perché la poltrona avanza?
• Se l’oggetto che esaminiamo è la poltrona,
non ci interessa di quello che accade
all’uomo; la forza applicata dall’uomo è una
forza esterna e può fare avanzare la
poltrona.
•Se invece esaminiamo la situazione dell’uomo, allora
dobbiamo pensare anche al suo contatto con il
pavimento. L’uomo viene spinto indietro dalla
poltrona. L’uomo spinge contro il pavimento … il
pavimento risponde …
•Che cosa fa avanzare insieme poltrona e uomo?
Le due forze di interazione tra uomo-poltrona (l’uomo
spinge e la poltrona risponde) si fanno equilibrio,
sono ora forze interne, applicate allo stesso corpo
(uomo+poltrona).
Che cosa fa avanzare quindi insieme poltrona e
uomo?
La forza di attrito tra uomo e pavimento
Nel caso in cui si consideri
il sistema UOMO+POLTRONA
la forza esterna al sistema è dovuta all’
Interazione uomo-pavimento
L’uomo punta, preme, sul pavimento, il
pavimento risponde con una forza che fa
avanzare l’uomo e la poltrona (quando ci
riesce)
PROVATE a pensare di voler spostare un
divano molto pesante, che cosa fate?
Puntate con i piedi sul pavimento.
E’ la forza di attrito con il pavimento che vi
permette di spostarlo.
Certo se non ci fosse attrito basterebbe
toccare il divano per farlo muovere.
Per camminare
interazione piede-terreno
TIRO ALLA FUNE e
TERZA LEGGE
http://www.iapht.unito.it/giocattoli/it/fune.html
IL PRINCIPIO DI AZIONE E REAZIONE
Le forze visibili sono le forze muscolari
applicate dagli studenti alla fune, ma ci sono
molte altre forze (la forza elastica, le forze
applicate dagli studenti al pavimento e dal
pavimento ai piedi, le forze di gravità , ecc.)
ogni forza agisce lungo una data direzione,
quando lo studente tira la fune, la fune
applica a lui/lei una forza opposta (freccia
rossa), per il principio di azione e reazione.
Poiché lo studente spinge sul pavimento, il
pavimento applica a lui/lei una forza opposta (frecce
blu), per il principio di azione e reazione,
la composizione delle frecce blu e rosse dà come
risultante la forza applicata allo studente,
poiché la fune applica forze uguali alle due
estremità , le frecce rosse sono uguali e
opposte, le forze che sono differenti sono
quelle applicate dal pavimento (frecce blu) e
vince lo studente che riesce ad applicare la
forza maggiore al pavimento.
UN GIOCOLIERE NEI GUAI
Un giocoliere che trasporta tre pesanti
palle deve attraversare un ponticello in
grado di sopportare solo il suo peso più
quello di due palle. Confidando nella
propria abilità, egli decide che, per non far
crollare il ponte, è sufficiente attraversarlo
facendo ruotare le palle in modo che una
delle tre sia sempre in volo.
Il giocoliere riesce ad attraversare il
ponte?
IL GIOCOLIERE NON CONOSCE LA
TERZA LEGGE DI NEWTON
Quando si lancia un oggetto verticalmente è
necessario applicare alla palla una forza verso l’alto
maggiore del peso dell’oggetto.
A sua volta la palla eserciterà sul giocoliere una
forza uguale e contraria (la forza sarà applicata al
giocoliere e diretta verso il basso)
Quindi sul ponte grava il peso del giocoliere + il
peso delle due palle che ha in mano + forza
maggiore del peso della terza palla dovuta
all’interazione giocoliere - terza palla.
AIRSPEEDY
com’è fatto
Aristotele
piccola forza
prove varie
soffio
MRU
MRUA
MRUA
Speedy
Airspeedy
urto
SUI VETTORI …
(-,+)
VETTORI E COMPONENTI

b
(bx= -2, by=1.5)
(-,-)
(-2 , 1.5)
(ax=5, ay=3)

1.5
-2
b=
3
(+,+)
a
5
a = (5 , 3)
(+,-)
(-,+)
SOMMA DI VETTORI
(+,+)
4.5

b
(bx= -2, by=1.5)
a +b= s
(ax=5, ay=3)

1.5
-2
(-,-)
3
a
3
s=
5
(3 , 4.5)
(+,-)
(-,+)
DIFFERENZA DI VETTORI

b
(bx= -2, by=1.5)
3
a
-2
-7
(ax=5, ay=3)

1.5
(+,+)
5
-1.5
b - a= d
(-,-)
d=
(-1.5 , -7)
(+,-)
COMPONENTI, SOMMA, DIFFERENZA DI DUE VETTORI
(-,+)
(+,+)

b
(bx= -2, by=1.5)
(-,-)

1.5
-2
b=
3
(-2 , 1.5)
(ax=5, ay=3)
a
5
a = (5 , 3)
(+,-)
VETTORI e COPPIE ORDINATE
y
3
tan α =
5
3
(ax=5, ay=3)

a

5
Si può indicare, individuare un vettore,
come una coppia ordinata di numeri reali
x
Spunti tratti da
FISICA 1 (per i licei scientifici) J. Walker, Zanichelli
FISICA 1 (per i licei scientifici) J. Wilson – A. Buffa, Principato
L’evoluzione della fisica, Einsten - Infeld, Boringhieri
Storia del concetto di massa, Max Jammer, Feltrinelli
Storia del concetto di forza, Max Jammer, Feltrinelli
http://www.iapht.unito.it/giocattoli/it/fune.html