Forza

A volte si parla di "forza della natura", altre volte ci si riferisce ad autorità come le forze di polizia. Forse i vostri genitori vi stanno "costringendo" a ripassare in questo momento? Non vogliamo farvi bere a forza il concetto di forza, ma sarebbe sicuramente utile sapere cosa si intende per forza! È di questo che parleremo in questo articolo. Inizieremo vedendo la definizione di forza e le sue unità di misura, poi parleremo dei tipi di forza e infine esamineremo alcuni esempi di forze nella nostra vita quotidiana per migliorare la nostra comprensione di questo utile concetto.

Forza: definizione

La forza può anche essere definita come una spinta o un'attrazione che agisce su un oggetto. La forza che agisce può fermare un oggetto in movimento, spostare un oggetto da fermo o cambiare la direzione del suo moto. Ciò si basa sulla prima legge del moto di Newton, secondo la quale un oggetto continua a trovarsi in uno stato di riposo o a muoversi con velocità uniforme fino a quando una forza esterna non agisce su di esso. La forza è una grandezza vettoriale in quanto ha una direzione, verso e modulo.

Formula della forza

L'equazione della forza è data dalla seconda legge di Newton in cui si afferma che l'accelerazione prodotta in un oggetto in movimento è direttamente proporzionale alla forza che agisce su di esso e inversamente proporzionale alla massa dell'oggetto. La seconda legge di Newton può essere rappresentata come segue:

\[a = \frac{F}{m}\]

Può essere anche riscritta come

\[F = ma\]

O, in altre parole,

\[ Forza= massa \times accelerazione\]

In queste equazioni, \(F\) è la forza espressa in Newton (\(N\)), \(m\) la massa di un oggetto in \(kg\) e \(a\) è la sua accelerazione in \(m/s^2\). In altre parole, all'aumentare della forza che agisce su un oggetto, la sua accelerazione aumenterà a condizione che la massa rimanga costante.

Unità di misura della forza

L'unità di misura SI della forza è il Newton e viene solitamente rappresentata con il simbolo \(N\). \(1\: N \) può essere definito come una forza che produce un'accelerazione di \( 1 \: m/s^2\) in un oggetto di \(1\: kg\) di massa. Poiché le forze sono vettori, le loro grandezze possono essere sommate in base alle loro direzioni.

Fig. 1 - Le forze possono essere sommate o sottratte l'una all'altra per trovare la forza risultante, a seconda che le forze agiscano rispettivamente nella stessa direzione o in quella opposta.

Osserva l'immagine qui sopra: se le forze agiscono in direzioni opposte, il vettore della forza risultante sarà la differenza tra le due e nella direzione della forza di maggiore entità. Due forze che agiscono in un punto nella stessa direzione possono essere sommate per produrre una forza risultante nella direzione delle due forze.

Tipi di forze

Abbiamo parlato di come una forza possa essere definita come una spinta o un'attrazione. Una spinta o un'attrazione possono verificarsi solo quando due o più oggetti interagiscono tra loro. Ma le forze possono essere sperimentate da un oggetto anche senza che vi sia un contatto diretto tra gli oggetti. Per questo motivo, le forze possono essere classificate in forze di contatto e forze senza contatto.

Forza di contatto

Sono forze che agiscono quando due o più oggetti entrano in contatto tra loro. Vediamo alcuni esempi di forze di contatto.

Forza vincolare normale

La forza di reazione vincolare è il nome dato alla forza che agisce tra due oggetti a contatto tra loro. La forza di reazione vincolare è responsabile della forza che sentiamo quando spingiamo su un oggetto, ed è la forza che ci impedisce di cadere dal pavimento! La forza di reazione vincolare agisce sempre in modo normale alla superficie, da cui prende anche il nome di forza di reazione normale.

Fig. 2 - Possiamo determinare la direzione della forza di reazione vincolare considerando la direttrice perpendicolare alla superficie di contatto. La parola normale è solo un'altra parola per dire perpendicolare o "ad angolo retto".

La forza normale sulla scatola è uguale alla forza normale esercitata dalla scatola sul terreno, come risultato della terza legge di Newton. La terza legge di Newton afferma che per ogni forza esiste una forza uguale che agisce nella direzione opposta.

Poiché l'oggetto è fermo, diciamo che la scatola è in equilibrio. Quando un oggetto è in equilibrio, sappiamo che la forza totale che agisce sull'oggetto deve essere pari a zero. Pertanto, la forza di gravità che attira la scatola verso la superficie terrestre deve essere uguale alla forza di reazione normale che le impedisce di cadere verso il centro della Terra.

Forza di attrito

Anche una superficie apparentemente liscia subisce un certo attrito a causa di irregolarità a livello atomico. Senza l'attrito che si oppone al movimento, gli oggetti continuerebbero a muoversi con la stessa velocità e nella stessa direzione, come afferma la prima legge del moto di Newton. Da cose semplici come camminare a sistemi complessi come i freni di un'automobile, la maggior parte delle nostre azioni quotidiane sono possibili solo grazie all'esistenza dell'attrito.

Fig. 3 - La forza di attrito su un oggetto in movimento agisce a causa della rugosità della superficie

Forze a distanza

Le forze a distanza agiscono tra gli oggetti anche quando non sono fisicamente in contatto tra loro. Vediamo alcuni esempi di forze a distanza.

Forza gravitazionale

La forza attrattiva sperimentata da tutti gli oggetti che hanno una massa in un campo gravitazionale è chiamata gravità. Questa forza gravitazionale è sempre attrattiva e sulla Terra agisce verso il suo centro. La forza media del campo gravitazionale della Terra è di \(9,8 \: N/kg\). Il peso di un oggetto è la forza che subisce a causa della gravità ed è dato dalla seguente formula:

\[F = mg\]

dove \(F\) è il peso dell'oggetto, \(m\) è la sua massa e \(g\) è la forza del campo gravitazionale alla superficie della Terra. Sulla superficie della Terra, l'intensità del campo gravitazionale è approssimativamente costante. Si dice che il campo gravitazionale è uniforme in una particolare regione quando l'intensità del campo gravitazionale ha un valore costante. Il valore dell'intensità del campo gravitazionale sulla superficie della Terra è pari a \(9,8\: m/s^2\).

Fig. 4 - La forza gravitazionale della Terra sulla Luna agisce verso il centro della Terra. Questo significa che la luna orbiterà in un cerchio quasi perfetto, diciamo quasi perfetto perché l'orbita della luna è in realtà leggermente ellittica.

Forza magnetica

La forza magnetica è la forza di attrazione tra i poli simili e diversi di un magnete. I poli nord e sud di un magnete hanno una forza attrattiva, mentre due poli simili hanno una forza repulsiva.

Fig. 5 - Forza magnetica.

Altri esempi di forze a distanza sono le forze nucleari, la forza di Ampere e la forza elettrostatica tra oggetti carichi.

Forze: esempi

Vediamo alcuni esempi di situazioni in cui entrano in gioco le forze di cui abbiamo parlato nelle sezioni precedenti.

Altri esempi di forze di contatto sono la resistenza dell'aria e la tensione. La resistenza dell'aria è la forza di resistenza che un oggetto incontra quando si muove nell'aria. La resistenza dell'aria è dovuta alle collisioni con le molecole d'aria. La tensione è la forza che un oggetto sperimenta quando un materiale viene teso. La tensione nelle corde da arrampicata è la forza che agisce per impedire agli arrampicatori di cadere a terra quando scivolano.