La forza

Apriamo le danze delle lezioni di Dinamica partendo da quella che sarà la nozione principe di tutte le lezioni che seguiranno: il concetto di forza.

 

In questa breve lezione introdurremo le forze senza scendere nei particolari; nel seguito avremo modo di vedere la definizione di forza trattando in dettaglio i tre principi della Dinamica di Isaac Newton, e di occuparci della formula della forza.

 

Per il momento ci preme introdurre questo nuovo concetto e spiegare la netta differenza tra la Cinematica e la Dinamica, proponendo alcune considerazioni generali, diversi esempi e caratterizzando la forza come grandezza fisica.

 

Introduzione al concetto di forza

 

Lo studio delle cause del moto in Fisica prende il nome di Dinamica. Tutta la Dinamica si basa sul concetto di forza, che cercheremo di introdurre qui.

 

Fino ad ora ci siamo occupati dello studio del moto: abbiamo così introdotto i concetti di velocità e accelerazione e abbiamo visto come essi siano legati allo spazio e al tempo. Non ci siamo però mai chiesti quali siano le cause del moto. Perché i corpi si muovono? Che cosa ne causa il movimento? E perché alcuni corpi sono fermi mentre altri sono sottoposti ad un'accelerazione?

 

Esempi fisici sulle forze

 

L'idea di forza è piuttosto intuitiva e nasce sempre dall'interazione di un corpo con l'ambiente circostante. Se solleviamo un oggetto da terra, stiamo esercitando una forza verso l'alto; un'auto che viaggia in autostrada è spinta costantemente in avanti dalla forza generata dal motore; un tennista che colpisce la pallina al servizio, ha impresso una forza alla pallina con la racchetta.

 

Quelli che abbiamo appena visto sono tutti esempi di forze legate al movimento dei corpi e, nelle prossime lezioni, formalizzeremo in termini matematici le forze dei precedenti esempi.

 

Notate che ognuna di queste forze prevede che vi sia un contatto tra due corpi, e da qui potrebbe sorgere una domanda spontanea: l'applicazione di una forza richiede necessariamente il contatto?

 

Come l'esperienza ci suggerisce saggiamente, la risposta è no. Sappiamo bene che qualunque oggetto si trovi attorno a noi viene inevitabilente tirato verso il basso da una forza sempre presente, detta forza di gravità (o forza peso). Si tratta di una forza come tutte le altre citate in precedenza, che viene esercitata dalla Terra e che è in grado di mettere in moto qualunque corpo, ma con una grande differenza: la forza peso viene esercitata a distanza.

 

Non è infatti assolutamente necessario mettere a contatto un oggetto con la superficie terrestre perchè questo risenta della forza di gravità: il corpo verrà attratto verso il basso anche se si trova sospeso in aria.

 

Tipi di forze: forze di contatto e forze a distanza

 

Bisogna dunque distinguere due tipologie di forze: le forze di contatto, per le quali è previsto che due corpi si tocchino affinché si generi un qualche tipo di forza, e le forze a distanza (dette anche forze di campo) per cui la forza esiste a prescindere dal fatto che tra i due corpi vi sia un contatto oppure no.

 

Ecco un elenco con alcuni tipi di forze (solo alcuni, non tutti!) che avrete sicuramente già sentito nominare, e che avremo modo di trattare nel dettaglio nelle successive lezioni

 

Forza

Tipo

Forza peso

A distanza

Forza di attrito

Di contatto

Forza centripeta

A distanza

Forza di galleggiamento (Spinta di Archimede)

Di contatto

Forza elastica

Di contatto

Forza di attrazione gravitazionale

A distanza

Forza elettrica (forza di Coulomb)

A distanza

Forza magnetica (forza di Lorentz)

A distanza

 

Forza come grandezza fisica

 

In generale, in attesa di formalizzare il discorso e di passare a parlare dei principi della Dinamica, possiamo dare una prima definizione di forza come grandezza fisica e dire che la forza è quella grandezza che misura l'interazione tra i sistemi fisici.

 

Ovviamente i principi della Dinamica, che vedremo nelle prossime lezioni, ci permetteranno di calcolare le forze e di vedere come esse siano legate ad altre grandezze fisiche. In particolare il secondo principio della Dinamica ci permetterà di scrivere e comprendere il significato della celeberrima formula della forza

 

 

\vec{F}=m\vec{a}

 

Forza come grandezza vettoriale

 

Vi sarete accorti dagli esempi fatti che, quando si parla di forza, non è necessario solo indicare l'entità della forza e quindi il suo valore numerico (calcolabile con la seconda legge di Newton, come vedremo in seguito), ma bisogna anche indicarne la direzione ed il verso, ad esempio stabilendo se la forza viene esercitata in orizzontale o in verticale, verso l'alto o verso il basso...

 

Più precisamente, la forza è una grandezza vettoriale e andrà rappresentata con un vettore esattamente come nel caso della velocità e dell'accelerazione.

 

Inoltre, trattandosi di grandezze vettoriali, tutte le forze seguono le regole del calcolo vettoriale.

 

Le quattro famiglie di forze fondamentali

 

Com'è facile intuire, in natura esistono tantissimi esempi di forze ed i fisici le hanno raggruppate tutte in quattro grandi famiglie:

 

- la forza gravitazionale;

- la forza elettromagnetica;

- la forza forte;

- la forza debole.

 

Mentre sperimentiamo quotidianamente gli effetti della prima forza, possiamo dire che la seconda è quella che interviene nei fenomeni legati all'elettricità e al magnetismo (elettromagnetismo) mentre le ultime due esistono solo nel piccolissimo mondo delle particelle subatomiche e non fanno parte dello studio della fisica classica.

 

 


 

Come abbiamo già anticipato, nella prossima lezione entreremo nel dettaglio e nel vivo della questione, passando in rassegna i tre principi della Dinamica. :)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

Lezione successiva


Tags: cos'è la forza - tipi di forze.