LA FORZA. Il movimento: dal come al perché

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1 LA FORZA Concetto di forza Principi della Dinamica: 1) Principio d inerzia 2) F=ma 3) Principio di azione e reazione Forza gravitazionale e forza peso Accelerazione di gravità Massa, peso, densità pag.1 Il movimento: dal come al perché Per mettere in moto un corpo fermo Per fermare un corpo in moto Variazione di moto Per variare un moto bisogna intervenire dall esterno Solo l intervento di una causa esterna può far iniziare un moto Causa esterna far cessare un moto far variare un moto (variando la velocità) Una causa esterna non può essere altro che una interazione con un altro corpo es. interaz. a contatto sforzo muscolare, attrito, ecc. interaz. a distanza gravità, attraz.magnetica, ecc. pag.2

2 Cos è una forza? Forza = qualunque causa esterna che produce una variazione dello stato di moto o di quiete di un corpo Alcuni fatti sperimentali dall esperienza quotidiana: Con una forza muscolare si riesce a spostare un corpo leggero ma non un corpo troppo pesante. Per rallentare un corpo in moto bisogna trattenerlo a forza o farlo muovere su una superficie ruvida. Una superficie riesce a sostenere un corpo pesante se è molto solida e se il peso è ben distribuito su di essa. Se un corpo viene tirato o spinto da parti opposte può deformarsi, rompersi o muoversi in una delle due direzioni a seconda del materiale di cui è composto e della forza trainante. 3 principi Dinamica pag.3 1) Principio d inerzia In assenza di forze esterne, un corpo mantiene il suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme Un corpo naturalmente è fermo o si sta muovendo di moto rettilineo uniforme ( v = costante) Questo non è intuitivo! Esperienza: un corpo in moto dopo un po si ferma. Ma sulla Terra nessun corpo è isolato: c è sempre attrito. Riducendo l attrito si prolunga il moto. Se non ci fosse attrito il moto continuerebbe all infinito. No forza No variazione stato di moto No variazione di velocità No accelerazione Quiete o moto rettilineo uniforme pag.4

3 2) F=ma Forza e accelerazione sono grandezze vettoriali direttamente proporzionali. Il loro rapporto è la massa, costante dipendente dal corpo in esame. F = m a equazione fondamentale della Dinamica F/a = costante MASSA dipendente dal tipo (natura, forma, dimensioni) di corpo PROPRIETA INTRINSECA DEL CORPO GRANDEZZA SCALARE FONDAMENTALE Kg (SI), g (cgs) pag.5 3) Principio di azione e reazione Se un corpo A esercita una forza su un corpo B, a sua volta B esercita su A una forza uguale e contraria. F AB = - F BA Esempi quotidiani: - sostegno pavimento/sedia - spinta all indietro - rinculo - camminare, correre - mezzi di trasporto pag.6

4 Newton e dina forza = massa accelerazione F= ma N SI: Newton 1 N = 1 kg 1 m/s cgs: dina 1 dina = 1 g 1 cm/s 2 1 N = forza che, applicata a un corpo di massa 1 kg, produce un accelerazione di 1 m/s 2 1 dina = forza che, applicata a un corpo di massa 1 g, produce un accelerazione di 1 cm/s 2 1 N = 1 kg 1 m/s 2 = 10 3 g 10 2 cm/s 2 = 10 5 dine 1 dina = 1 g 1 cm/s 2 = 10-3 kg 10-2 m/s 2 = 10-5 N pag.7 Forze fondamentali si ritiene che vi siano 4 forze fondamentali e che tutte le proprietà della materia possano essere dedotte a partire a queste forze. Esse sono: a) forza gravitazionale; ( si esercita tra particelle che hanno massa) b) forza elettromagnetica; ( si esercita tra particelle che hanno carica elettrica) c) forza nucleare forte; (tra particelle con carica forte) d) forze nucleare debole; (tra particelle con carica debole) pag.8

5 Forza gravitazionale Tra due corpi di massa m 1 e m 2, posti a distanza r, si esercita sempre non solo sulla Terra! una forza di attrazione m 1 -diretta lungo la congiungente tra i due corpi r -proporzionale alle due masse -inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza m2 LEGGE DI GRAVITAZIONE UNIVERSALE F = - G m 1 m 2 r r 2 attrazione r G = N m 2 /kg 2 costante di gravitazione universale... troppo piccola per essere osservata tra corpi normali... pag.9 F = G Accelerazione di gravità Quanto vale la forza gravitazionale tra la Terra e un corpo di massa m= 1 kg posto alla superficie della Terra? Dati Terra: M = kg, R = m F = G mm 2 r = ( Nm kg ) ( 1 kg ) ( kg ) 6 2 ( m ) = N M r 2 m g = 9.8 m/s 2 nelle vicinanze della superficie della Terra F = mg m F M Risultato: 9.8 N forza peso g è un accelerazione! R pag.10

6 Forza peso L atmosfera terrestre regione di spazio vicina alla superficie della Terra è sede di un campo di forza gravitazionale: ogni corpo di massa m che si trova in quella regione risente di una forza peso diretta verticalmente verso il basso. F = mg = p modulo direzione verso p = m g verticale basso forza peso linee di forza MOTO DI CADUTA sempre uniformemente accelerato con accelerazione g = 9.8 m/s 2 h p 90 v = g t h = ½ g t 2 Tempo di arrivo al suolo: t = 2h/g Velocità di arrivo al suolo: v = 2gh suolo pag.11 Forza elastica elastica è la forza che segue la seguente legge, nota come legge di Hooke: dove r è l allungamento o compressione della molla rispetto la posizione a riposo della stessa. Nella posizione di riposo della molla, la massa non sará soggetta ad alcuna forza. K è una costante, detta costante elastica, che indica la forza di richiamo prodotta per una variazione unitaria della lunghezza della molla. Essa è detta forza elastica perché è la forza esercitata da un elastico o una molla per piccole deformazioni. elastica è una forza di richiamo perché ha sempre segno opposto alla deformazione e tende a riportare la massa nella posizione in cui l elastico o la molla non sono deformati. pag.12

7 Reazioni vincolari di reazione vincolare è la forza esercitata da una superficie solida su una particella a contatto con la superficie. di reazione vincolare F, essendo un vettore, si può pensare come la somma vettoriale di una forza di reazione T tangente (parallela) alla superficie ed una forza di reazionen normale (perpendicolare) alla superficie: di reazione normale alla superficie è sempre tale da impedire il motodella particella nella direzione normale (entrante) alla superficie, se la superficie non si deforma o spezza. T di reazione tangente alla superficie è anche detta forza di attrito. Per essa si distinguono due casi: i) superficie liscia (o vincolo liscio):t =0 ii) superficie scabra (o vincolo scabro): T 0. Dagli esperimenti si trova che la forza di attrito T agente su una particella che si muove su una superficie solida scabra è data da T=F att =-µn; µ e detto coefficiente di attrito ( dinamico); si ha sempre µ <1. pag.13 MASSA PESO m Massa, peso, densità p = mg kg N grandezza fondamentale proprietà intrinseca dei corpi Cosa misura la bilancia pesapersone? peso, ma espressa in un unità di misura pratica: kg peso = kg massa 9.8 m/s 2 = 9.8 N DENSITA densità = massa volume forza con cui ogni corpo dotato di massa sulla Superficie della terra viene attirato da essa relazione tra massa e dimensioni dei corpi utile soprattutto (ma non solo) per liquidi e gas d= m/v kg/m 3 Def. simile a concentrazione v. Chimica ma riferita alla stessa sostanza pag.14

8 Misure di densità ( ρ ) ρ= m/v kg/m 3 g/cm 3 kg/l g/l Densità dell acqua: 1 g/cm 3 = (10-3 kg)/(10-6 m 3 ) = 10 3 kg/m 3 = (10-3 kg)/(10-3 dm 3 ) = (10-3 kg)/(10-3 l) = 1 kg/l = (1 g)/(10-3 dm 3 ) = (1 g)/(10-3 l) = 10 3 g/l (Ricorda: 1 l d acqua ha massa di 1 kg, 1 cm 3 ha massa di 1 g!)... e altri multipli e sottomultipli... Equivalenze con densità (di uso comune in Medicina): 1 mg/dl = (10-3 g)/(10-1 dm 3 ) = (10-3 g)/(10 2 cm 3 ) = 10-5 g/cm 3 1 µg/mm 3 = (10-6 g)/(10-3 cm 3 ) = 10-3 g/cm 3 ecc... (fantasia!) pag.15

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