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Introduzione - I principi - Tipi di forze

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I Principi della Dinamica


I principi della dinamica sono delle leggi, formalizzate dal fisico inglese Isaac Newton, che descrivono l'azione delle forze su uno o più oggetti rigidi (indeformabili).

PRIMO PRINCIPIO
(o PRINCIPIO D'INERZIA)

Se un corpo non subisce forze (o se la risultante delle forze è nulla) allora manterrà invariata la propria velocità.

Possiamo definire l'Inerzia di un corpo come la capacità di conservare il suo stato dinamico, ossia come la resistenza che il corpo oppone alle variazione della propria velocità.

Il primo principio può sembrare poco importante, ma in realtà è fondamentale nello studiare l'equilibrio dei corpi: quando un corpo è in equilibrio in una qualunque situazione, allora sappiamo che la risultante delle forze deve esser nulla; quindi se sappiamo per certo che una forza agisce sul corpo, ci sarà sicuramente almeno una seconda forza che serva ad annullare la prima; in situazioni più complesse possono intervenire anche diverse forze che si bilancino tra loro, favorendo una situazione di equilibrio.

Il primo principio ci spiega cosa avviene quando la risultante delle forze è nulla; ma cosa succede altrimenti?

SECONDO PRINCIPIO

Se un corpo subisce l'azione di più forze,
riceve un'accelerazione direttamente proporzionale alla risultante delle forze subite.

Nel caso un corpo subisca una sola forza, allora riceve un'accelerazione direttamente proporzionale a tale forza. Sia la forza che l'accelerazione quindi saranno vettori aventi stessa direzione e stesso verso, con modulo proporzionale.
Ricordiamo che due grandezze sono direttamente proporzionali se, pur variando esse nel tempo, il loro rapporto rimane costante.

Esempio 1 – prima parte.

Un corpo subisce una forza di 20N e quindi riceve un'accelerazione di 5 m/s².
Quale accelerazione riceverà se la forza sale a 60N?

Dati:
Forza iniziale: F1 = 20N
Accelerazione iniziale: a1 = 5m/s²
Forza finale: F2 = 60N
Accelerazione finale: a2 = incognita

Soluzione: Dal momento che le grandezze sono direttamente proporzionali, è sufficiente risolvere la seguente proporzione:

F1 : a1 = F2 : a2

20N : 5m/s² = 60N : x

Applicando le proprietà delle proporzioni possiamo trovare l'incognita:

x = (5 · 60) : 20

x = 300 : 20

x = 15

Il corpo nel secondo caso riceverà un'accelerazione di 15m/s².

È molto importante a questo punto introdurre una nuova grandezza: se il rapporto tra Forza e accelerazione è costante, vuol dire che tale rapporto è molto importante.
per l'appunto tale rapporto corrisponde ad una delle 7 grandezze fondamentali: la massa.

Possiamo dire che:

La massa (m) è la resistenza che un corpo oppone all'azione di una forza.

Se ci pensiamo, se applichiamo una stessa forza per spostare un armadio o una sedia, otterremmo risultati ben diversi! La sedie si sposterà molto più facilmente, avendo una massa minore e quindi opponendo una resistenza minore. Al contrario l'armadio opporrà una fiera resistenza e sarà quindi molto diffice da spostare...

Il secondo principio quindi si può sintetizzare nella seguente formula:

Σ F   =   m · a

Dove Σ F rappresenta la risultante delle forze applicate ad un oggetto.

Nel S.I. la massa di misura in kilogrammi (kg) ed essendo una grandezza fondamentale, la sua unità di misura non deriva da altre unità di misura. Tuttavia possiamo sfruttare la formula precendente e, invertendo, otteniamo che: 1kg = 1N · 1s2 · 1m–1

Esempio 1 – seconda parte.

Quanto vale la massa del corpo?

Dati:
Forza iniziale: F = 20N
Accelerazione iniziale: a = 5m/s²
Massa: m = incognita

Soluzione: La massa resta costante, quindi è uguale usare la situazione iniziale o quella finale. Nel caso iniziale:

m = F : a

m = 20 : 5

m = 4

Il corpo possiede una massa di 4kg.

Un risultato un po' particolare è quello descritto nell'ultimo principio.

TERZO PRINCIPIO
(o PRINCIPIO DI AZIONE E REAZIONE)

Se un corpo A produce una forza su un corpo B,
allora anche il corpo B produrrà una forza (opposta alla prima) sul corpo A.

Questo principio si spiega alla luce dell'equilibrio che esiste in natura: ogni forza non puè esistere da sola, ma sempre accoppiata ad una sua nemesi, una forza opposta, avende quindi stesso modulo, stessa direzione, ma verso opposto alla prima. È vero tuttavia che nella vita comune alcune forze vengono attutite o bloccate da vincoli (che sono anch'essi delle forze) o da altri fenomeni.
Il seguente esempio può aiutare a chiarire:

Esempio 2.

Cosa succede se spingo un mobile? Quali sono le forze in gioco?

Soluzione: Ovviamente è presente la mia forza muscolare che agisce sul mobile; poi la forza con cui il mobile resiste, che dipende da quanto sarà grande (quindi dalla sua massa): tale forza corrisponde alla forza d'attrito.
Ma queste due forze, anche se opposte, in genere non sono uguali, altrimenti non riusciremmo a spostare nulla.

Il mobile produce una forza di reazione su di me, della stessa intensità di quella che uso io per spingerlo. Ma, fortunatamente, piazzando bene i piedi per terra riesco a bloccare questa reazione, e spingere il mobile.

Immaginiamo di compiere la stessa operazione su un pavimento scivoloso o sul ghiaccio: in questo caso non ci sarà attrito, per cui sarà più facile spostare il mobile; ma al tempo stesso non riuscirò a fissare i piedi sul terreno e quindi la forza di reazione รจ libera di agire.
Cosa succede? Succede che nel momento in cui io riesco a spingere il mobile, anch'io subirò una spinta all'indietro, tanto intensa quanto la spinta che io darò al mobile.


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