Cos'hanno in comune i satelliti artificiali in orbita attorno al nostro pianeta e una giostra? Entrambi questi fenomeni sono caratterizzati da un oggetto che agisce sotto l'effetto di una forza centrale. Vediamo insieme di cosa si tratta e che proprietà hanno le forze centrali.
Una forza centrale è forza che agisce sempre verso un punto chiamato centro e il cui modulo dipende solo dalla distanza dell'oggetto che la subisce dal centro.
Questo tipo di forza è molto particolare e ha alcune proprietà importanti per diversi fenomeni fisici, come la gravitazione e il moto di particelle cariche sotto l'effetto di campi elettrici.
Forza centrale: momento angolare
Fig. 1 - Schema del percorso di una massa sottoposta a forza centrale.
Quando consideriamo un punto centrale soggetto a una forza centrale, esso può muoversi lungo una qualsiasi traiettoria, per semplicità vediamo il caso in cui un punto materiale di massa \(m\) si muove lungo la traiettoria circolare in figura 1 dal punto \(P\) al punto \(Q\), dove \(\vec{r}\) descrive il vettore che congiunge la massa al centro del moto \(O\).
Per definizione, la forza \(\vec{F}\) è sempre parallela al vettore posizione \(\vec{r}\), perché la forza è sempre orientata verso il centro. Questa proprietà ci dice immediatamente che deve valere
\[\vec{r}\times \vec{F}=0\,.\]
Questo prodotto vettoriale, però, è esattamente il momento della forza \(\vec{F}\), da cui
\[\vec{M} = 0\,.\]
Il teorema del momento angolare ci dice che il momento \(\vec{M}\) della forza equivale alla variazione del momento angolare \(\vec{L}\), ovvero
Questa quantità è equivalente a dire che il momento angolare non cambia mai nel tempo, o, in altre parole, che il momento angolare è costante:
\[\vec{L} = \text{cost}\,.\]
Forza centrale: proprietà
Vediamo ora alcune delle importanti proprietà delle forze centrali.
Conservatività delle forze centrali
Le forze centrali sono anche conservative per definizione. Possiamo verificarlo calcolando il lavoro tra due punti \(\mathrm{A}\) e \(\mathrm{B}\) come
che non dipende dal percorso, quindi la nostra forza centrale \(F\) è conservativa.
Velocità areolare
Un'altra proprietà delle forze centrali è quella di avere velocità areolare costante. Cosa vuol dire? Guardiamo la figura 1. Quando un punto materiale si muove dal punto \(P\) al punto \(Q\) sotto l'azione di una forza centrale, il vettore \(\vec{r}\) che ne descrive la posizione spazza un'area \(\mathrm{d}A\), descrivendo un angolo \(\mathrm{d}\theta\). Se questo angolo è piccolo, possiamo vedere l'area \(\mathrm{d}A\) come l'area di un triangolo di base \(r\mathrm{d}\theta\) e altezza \(r\). Possiamo quindi scrivere
La velocità areolare è la velocità con cui quest'area viene "spazzata" dal vettore \(\vec{r}\), ovvero la sua variazione temporale, che possiamo scrivere come
E siccome sappiamo che il momento angolare è costante (e la massa assumiamo che lo sia), possiamo dire che la velocità areolare nei moti sottoposti a forza centrale è costante.
Forza centrale: esempi
Alcuni tra i più importanti esempi di forza centrale sono la forza gravitazionale, la forza elettrostatica, la forza magnetica e la forza elastica. Vediamo insieme qualche esempio più specifico:
Un satellite che orbita intorno alla Terra è sottoposto ad una forza centrale. L'unica forza che lo influenza, infatti, è la forza di gravità che lo attrae alla Terra.
I seggiolini volanti delle giostre sono un altro esempio di oggetto sottoposto a una forza centrale, in questo caso la tensione della fune che li collega al corpo della giostra.
Forze centrali - Key takeaways
Una forza centrale è forza che agisce sempre verso un punto chiamato centro e il cui modulo dipende solo dalla distanza dell'oggetto che la subisce dal centro.
Nelle forze centrali, il momento meccanico \(\vec{M}\) è nullo: \(\vec{M} = 0\), di conseguenza il momento angolare \(\vec{L}\) è costante nel tempo.
Le forze centrali sono sempre conservative.
La velocità areolare \(\dfrac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}t}\) è costante nel tempo sotto una forza centrale.
Esempi di forze centrali sono la forza gravitazionale, la forza elettrostatica, la forza magnetica e la forza elastica.
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Domande frequenti riguardo Forza centrale
Quando una forza è centrale?
Una forza si dice centrale quanto agisce sempre diretta verso un punto chiamato centro e il suo modulo dipende solo dalla distanza del punto di applicazione dal centro.
Cosa si intende per forze centrali?
Per forza centrale si intende una forza che agisce sempre verso un punto chiamato centro e il cui modulo dipende solo dalla distanza dell'oggetto che la subisce dal centro.
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Lily Hulatt is a Digital Content Specialist with over three years of experience in content strategy and curriculum design. She gained her PhD in English Literature from Durham University in 2022, taught in Durham University’s English Studies Department, and has contributed to a number of publications. Lily specialises in English Literature, English Language, History, and Philosophy.
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