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CONTENUTO DELLA PAGINA
Forza Vincolare e Tensione
Forza Centripeta
Forza Elettrica
Forza Magnetica
Altri esempi di forze molto comuni sono i seguenti:
Forza Vincolare e Tensione
Un Vincolo è una forza che ostacola il moto di un corpo: usa superficie, una parete, una guida, che per assunto non possono esser attraversate. Le forze vincolari agiscono solo se sollecitate, ossia solo quando sono presenti altre forze che violerebbero il vincolo. Inoltre le forze vincolare sono forze esattamente opposte alle forze prementi la superficie del vincolo, in direzione perpendicolare.
Ad esempio un oggetto su un piano inclinato, per effetto della forza peso tenderebbe a cadere verticalmente, ma la presenza del vincolo genera una forza perpendicolare alla superficie che annulla la compononte perpendicolare della forza peso, in modo che il corpo subisca solo la componente parallela (alla superficie) della forza peso.
Analogamente ai vincoli, la Tensione blocca il movimento secono alcune direzioni; è dovuta al legame tra le molecole di un corpo: tale legame evita che il corpo che blocca il movimento si spezzi.
Ad esempio una palla legata ad un centro per mezzo di una corda o un filo inestensibile e resistente, non potrà allontanarsi più di un certa distanza dal centro, ed ogni forza che tenderebbe ad allontanarla ulteriormente sarà neutralizzata dalla tensione della corda.
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Esempio 5. Su di un piano inclinato di 20° rispetto al suolo è poggiato un corpo di 12,0kg; quanto vale la forza vincolare esercitata dal piano?
Dati:
Inclinazione: α = 20°
Massa del corpo: m = 12,0kg
Forza vincolare: Fv = incognita.
Soluzione: La forza vincolare si oppone alla forza premente, che in questo caso è provocata dalla forza peso: in particolare la forza premente è la componente perpendicolare della forza peso:
F⊥ = FP · cos(α) = mg cos(α) =
= 12,0kg · 9,81m/s² · cos(20°) =
= 117,7N · 0,940 = 110,6N
La forza premente vale 110,6N, che arrotondando a tre cifre significative diventa 111N.
Conclusione: la forza vincolare, per opporsi alla forza premente, deve produrre una forza anch'essa di intensità 111N, perpendicolare al piano e uscente da esso.
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Forza Centripeta
Definiamo come Forza Centripeta ogni forza che produce un'accelerazione centripeta: questo avviene nel caso in cui la forza è perpendicolare allo spostamento e di modulo costante; se la forza centripeta è la sola forza agente, genera un moto circolare uniforme; viceversa se un corpo si muove di moto circolare univorme di raggio R, con velocità v, allora subisce una forza centripeta di intensità:
Ogni forza può assumere il ruolo di forza centripeta, se agisce in modo costante e sempre perpendicolare alla direnzione del moto. Ad esempio la forza gravitazionale agisce da forza centripeta in quando fa ruotare i satelliti intorno ad un pianeta; se una persona fa ruotare una fionda, la forza centripeta corrisponde alla tensione della fionda.
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Esempio 6. Un'automobile di 1300kg viaggia a velocità costante di 80km/h quando deve compiere una curva di raggio 10m. Quale forza d'attrito devono esercitare le ruote sull'asfalto per evitare che l'auto sbandi?
Dati:
Massa dell'auto: m = 1300kg
Velocità: v = 80km/h ⇒ 22,2m/s
Raggio della curva: R = 10m
Forza d'attrito: FA = incognita.
Soluzione: La forza d'attrito ha il ruolo di forza centripeta, perchè permette all'auto di non "andare lunga" (ossia di non mantenere il moto rettilineo uniforme), ma fa sì che l'auto possa impostare la curva correttamente.
La forza centripeta si calcola con la formula:
FC = m · v² ⁄ R =
= 1300kg · (22,2m/s)² ∶ 10m =
= 1300kg · 492,84m²/s² ∶ 10m =
= 64069,2N
che arrotondando a due cifre significative diventa 64·10³N.
Conclusione: la forza d'attrito, per mantenere l'auto in curva, deve esercitare un'intensità di 64·10³N.
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Infine, altri due esempi di forze, che si studiano gli ultimi anni delle superiori, sono:
Forza Elettrica
La Forza Elettrica è un caso particolare della seconda interazione fondamentale, l'interazione elettromagnetica e, come accennato sopra, è descritta dalla legge di Coulomb : "la forza elettrica tra due corpi dotati di carica, è attrattiva nel caso di cariche discordi e repulsiva nel caso di cariche concordi; è direttamente proporzionale al prodotto delle due cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra essi".
Essendo k una costante chiamata costante di Coulomb e dipende solo dal mezzo (dielettrico) all'interno del quale sono poste le cariche; la costante k corrisponde a 1 ⁄ 4πε, dove ε èla permittività elettrica .
Nel caso le cariche si trovino nel vuoto, la constante di Coulomb vale circa:
k0 = 8,99 · 109 N · m2 / C2
e la permittività elettrica:
ε0 = 8,85·10−12 F/m
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Forza Magnetica
La Forza Magnetica è un altro caso particolare dell'interazione elettromagnetica; è la forza che agisce tra due magneti, o tra un magnete e un materiale ferromagnetico; inoltre anche i circuiti percorsi da corrente producono forza magnetica e quindi possono interagire tra loro o con i magneti.
In particolare la forza con cui due tratti di circuito di lunghezza ℓ percorsi da correnti i₁ e i₂ interagiscono tra loro, se messi uno affianco all'altro, paralleli e ad una distanza R tra loro, ha un'intensità data dalla formula:
Essendo μ una costante chiamata permeabilità magnetica , che dipende solo dal mezzo all'interno del quale sono posti i due tratti di filo. Nel caso le cariche si trovino nel vuoto, vale:
μ0 = 4·π·10−7 H/m
Tale forza è attrattiva se le correnti scorrono nello stesso verso, è repulsiva se scorrono in verso contrario.
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