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Ripasso di Fisica per il Biennio delle Superiori

Unità 3.
Le forze e l'equilibrio

DEFINIZIONI E TABELLE Esercizi svolti, esperienze e attività Questionario

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D1. Si definisce forza (F) un’azione in grado di deformare ("effetto statico") oppure di modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo al quale essa viene applicata ("effetto dinamico", vedi Unità 9).

D2. La forza è una grandezza fisica vettoriale: questo significa che per individuarla non basta un numero seguito dall'unità di misura (detto intensità, o modulo), ma occorre definire anche la sua direzione e il verso.
Per esempio, su un corpo si può applicare una forza di una certa intensità, in direzione verticale e verso l'alto.

D3. Le grandezze vettoriali vengono rappresentate dai vettori, segmenti orientati la cui lunghezza è proporzionale all'intensità, mentre la retta di appartenenza indica la direzione, e la punta della freccia il verso (vedi Nota 2).

I simboli delle grandezze vettoriali sono in genere riportati in neretto (per esempio: la forza F); tuttavia, quando di queste grandezze interessa solo il modulo, i simboli sono riportati con la grafia normale.

D4. Tutte le forze presenti in natura possono essere ricondotte a solo quattro forze fondamentali: le forze gravitazionali (vedi Unità 11), le forze elettriche (vedi Unità 12), le forze nucleari forti e nucleari deboli (vedi D16 e D24 nell'Unità 4).

D5. Comunemente si distingue tra forze di contatto (trazione, spinta, attrito,...) e forze a distanza (gravitazionali, magnetiche,...). A rigore, però, tutte le forze sono a distanza (vedi la definizione D15 dell’Unità 4).

D6. La forza più comune è il peso (p), cioè la forza (gravitazionale) con cui ogni corpo è attirato dalla Terra, proporzionalmente alla sua massa. Spesso si usa come unità di misura delle forze il kilogrammo-peso (kgp), ovvero il peso cui è sottoposta sulla Terra una massa di 1 kg. Però, nel SI si usa il newton (N): 1 kgp corrisponde a 9,8 N (vedi la definizione D13 dell’Unità 9).

D7. Una proprietà comune a tutte le forze è la legge di azione-reazione: se un corpo A esercita una forza F su un corpo B (chiamata "azione"), il corpo B reagisce con una forza sul corpo A (chiamata "reazione") che ha la stessa direzione e intensità dell’azione F, ma verso opposto. Questa legge è detta anche terza legge di Newton (per le altre due, vedi l’Unità 9).

D8. Un corpo è rigido se non è deformabile, cioè se le forze che agiscono su di esso non possono avere effetti statici, ma solo effetti dinamici.

D9. Un corpo è elastico se al cessare di una azione deformante esso ritorna nella situazione iniziale. Ogni corpo ha però un limite di elasticità, oltre il quale le deformazioni subite sono permanenti e possono intervenire delle rotture.

D10. Le deformazioni subite da un corpo elastico sono direttamente proporzionali alle intensità delle forze applicate (legge di Hooke). Per esempio, gli allungamenti DL di una molla sono proporzionali ai pesi p applicati (vedi l’esperienza A1):

p / DL = k

NOTA 1

Attenzione: il simbolo "D" non è una quantità algebrica che moltiplica L! E' una abbreviazione che indica la variazione della grandezza in esame, corrisponde alla lettera D dell'alfabeto greco e si legge "delta".
Nel caso della molla, DL è la differenza tra la lunghezza L' della molla dopo l'applicazione del peso p e la lunghezza originale L della molla. Si ha pertanto:

DL = L' - L

D11. Il rapporto k tra la deformazione subita dal corpo e l'intensità della forza applicata ad esso è detto coefficiente di elasticità, e si misura in kg_p/m (nel SI in N/m).

D12. La misura delle forze con metodo statico viene effettuata in modo indiretto, tramite i dinamometri. Questi strumenti sono composti da una molla racchiusa in un cilindretto e associata a una scala graduata, che serve per misurarne gli allungamenti. Conoscendo il coefficiente di elasticità della molla, da un valore di allungamento si può determinare il valore della forza che lo ha provocato.

D13. Un corpo puntiforme è in condizioni di equilibrio statico se la somma delle forze applicate ad esso risulta nulla.

NOTA 2

Le grandezze vettoriali possono essere sommate algebricamente solo quando hanno la stessa direzione. Negli altri casi, la somma vettoriale si può effettuare graficamente mediante la regola del parallelogramma: la somma (o risultante) delle due grandezze a e b è rappresentata dalla diagonale del parallelogramma che ha come lati i vettori a e b, corrispondenti alle due grandezze da sommare.

L'operazione inversa alla precedente è la scomposizione di un vettore v in due componenti v_x e v_y lungo le direzioni definite dalle due rette x e y. Essa si ottiene tracciando le parallele a tali rette passando per l'estremità di v: le intersezioni con le due rette determinano i vettori componenti.

D14. La condizione data nella definizione D13 non basta per determinare l'equilibrio statico di un corpo esteso e rigido, dovendo tenere conto che questo può anche ruotare. Perciò, per l'equilibrio dei corpi estesi si richiede che sia nulla anche la somma vettoriale dei momenti delle forze applicate (vedi la definizione D16).

D15. Si dice vincolo una causa capace di imporre una limitazione al movimento di un corpo, e si manifesta con una forza detta reazione vincolare (R_v).
Per esempio, un piano di appoggio, oppure un asse di rotazione costituiscono dei vincoli.

D16. Applicando una forza F ad un corpo vincolato a un punto P, si definisce momento della forza una grandezza vettoriale che ha come modulo M il prodotto dell'intensità della forza per il suo "braccio" b:
M = F • b

Il braccio della forza è la distanza tra P e la retta d'azione della forza. Il momento si misura in kgp•m (nel SI in N•m).

D17. Il sistema costituito dalla forza F e dalla reazione vincolare R_v è detto coppia. La risultante di queste due forze è nulla, me se il momento della coppia non è nullo, il corpo ruota.

D18. Il vettore momento ha (per convenzione) la direzione perpendicolare al piano su cui giace la coppia e il verso uguale a quello di avanzamento di una vite che ruoti come il corpo cui è applicata la coppia.

D19. Due coppie si dicono equivalenti se hanno lo stesso momento, cioè se provocano lo stesso movimento rotatorio quando vengono applicate a un corpo.

D20. Lo studio dei corpi estesi vincolati consente di ridurre la condizione di equilibrio data nella definizione D14 in termini più semplici: per esempio, un corpo sospeso a un punto è in equilibrio se il punto di sospensione S e il baricentro B del corpo si trovano sulla stessa verticale.

D21. Il baricentro (o centro di massa) di un corpo esteso è il punto di applicazione del suo peso. Nei corpi omogenei e regolari il baricentro coincide con il loro centro geometrico.

D22. Un corpo appoggiato su un piano è in equilibrio se la verticale passante per il baricentro incontra il piano d'appoggio in un punto interno alla base del corpo.

D23. L'equilibrio dei corpi estesi può essere di tre tipi: stabile, quando a un piccolo spostamento dalla posizione di equilibrio il corpo reagisce tornando alla posizione iniziale; instabile, quando il corpo reagisce allontanandosi definitivamente dalla posizione di equilibrio; indifferente, quando il corpo resta in equilibrio anche nella nuova posizione.

D24. Una macchina è un dispositivo con il quale, applicando una forza P detta forza motrice (o potenza), si può equilibrare un'altra forza R detta forza resistente ( o resistenza).

D25. Una macchina è:

vantaggiosa, se R > P

svantaggiosa, se R < P

indifferente se R = P.

D26. Un semplice esempio di macchina è la leva, costituita da una sbarra rigida girevole intorno a un punto fisso detto fulcro (F), alla quale possono essere applicate in vari modi la forza motrice e la forza resistente.

D27. Una leva è in equilibrio quando sono uguali le intensità dei momenti della forza motrice P e della forza resistente R. Chiamando b_p e b_r i rispettivi bracci, si ha:

P • b_p = R • b_r

(i vettori momento hanno versi opposti; perciò, in tale condizione la somma vettoriale dei momenti è nulla)

D28. La bilancia a due piatti è uno strumento usato per misurare i pesi (e quindi le masse). Si tratta di una leva "indifferente" (vedi la definizione D25), in cui il fulcro è equidistante dai punti di applicazione delle forze, R è il peso da misurare e p i pesi campione necessari per equilibrare R. Poiché b_p = b_r, quando la bilancia è in equilibrio si ha (vedi la definizione D27):

R = p

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D15. Si dice vincolo una causa capace di imporre una limitazione al movimento di un corpo, e si manifesta con una forza detta reazione vincolare (R_v). Per esempio, un piano di appoggio, oppure un asse di rotazione costituiscono dei vincoli.