Le forze e la loro misura

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1 Modulo B Le Forze Unità 1 Pagina 1 di 6 Le forze e la loro misura Per forza intendiamo una qualsiasi causa esterna che modifica lo stato di quiete o di moto se alicata ad un coro libero di muoversi, o che roduce una deformazione se alicata ad un coro vincolato. Quindi una forza alicata ad un coro libero di muoversi roduce una accelerazione, alicata ad un coro vincolato roduce una deformazione. Affinamento del concetto di forza: In realtà, le forze nascono come interazioni tra due cori. Se l interazione è dovuta alle masse dei due cori abbiamo la forza gravitazionale, se è dovuta alle cariche elettriche resenti nei due cori abbiamo la forza elettromagnetica, se è dovuta ai nucleoni abbiamo la forza nucleare forte. I nucleoni sono i rotoni ed i neutroni resenti nei nuclei degli atomi. Dicesi vincolo qualsiasi oggetto che limita il movimento di un coro. Il iano di una scrivania è un vincolo. Il iano inclinato è un altro vincolo. Per misurare staticamente una forza utilizziamo un articolare disositivo oortunamente tarato detto dinamometro: La figura mostra come funziona un dinamometro (a) Lo zero della scala corrisonde ad assenza di un eso attaccato all estremità libera della molla (b) Aendendo un coro al dinamometro, si misura il eso del coro leggendolo sulla scala graduata. Il eso è la forza con cui un coro è attratto dalla Terra. Il eso che agisce su un coro è alicato nel baricentro del coro. Una unità di misura non coerente della forza è il chilogrammo-eso (1kg ) che raresenta la forza con la quale la Terra attira la massa di un chilogrammo (1kg ). m 1kg =9,8N P =mg P m= g Pagina 1

2 Modulo B Le Forze Unità 1 Pagina di 6 Un coro che esa P= 35 N ha una massa m = 10kgm esa P= 10 9,8= 98 N. P 35 m = = = 3,57 kgm Un coro massa che ha massa g 9,8 Le forze come vettori Le forze sono grandezze vettoriali in quanto sono individuate da una direzione, da un verso e da un modulo che esrime l intensità della forza. Alle forze dobbiamo alicare l algebra dei vettori. R= F1+ F R è la somma vettoriale delle forze F 1 ed F e si ottiene alicando la regola del arallelogramma. R è detta anche la forza risultante delle forze F 1 ed F. Le forze F 1 ed F sono le comonenti della forza F lungo le due direzioni non orientate r ed s. La forza gravitazionale Ogni coro è caratterizzato da una sua massa m. Sulla Terra ogni coro subisce l azione di una forza che rende il nome di eso del coro. Il eso di un coro uò essere indicato con uno dei due seguenti simboli: P oure F Il eso di un coro è la forza di gravità con la quale il coro è attratto dalla Terra. La forza eso che agisce su un coro varia da luogo a luogo. Invece la massa di un coro è semre la stessa. In un determinato luogo la forza eso F = P è direttamente roorzionale alla massa m : F = P = mg m In rossimità della Terra abbiamo: g =9,8 s Pagina

3 Modulo B Le Forze Unità 1 Pagina 3 di 6 La massa di un coro, misurata con una bilancia a bracci uguali, è un indice della quantità di materia contenuta nel coro. Forza gravitazionale: E la forza con la quale si attirano due masse untiformi qualsiasi. Il modulo di tale forza è esresso dalla legge di gravitazione universale che afferma quanto segue: due qualsiasi masse m 1 e m si attirano recirocamente con una forza, agente lungo la loro congiungente, direttamente roorzionale al rodotto delle due masse ed inversamente al mm 1 quadrato della loro distanza. In formule abbiamo: F=G G =6,67 10 r -11 Nm kg è chiamata costante universale di gravitazione. Variazione del eso di un coro La massa di un coro è costante e non diende dalla osizione in cui si trova. Il eso di un coro diende dalla sua distanza dal centro della Terra. La massa di un coro è una grandezza scalare, il eso di un coro è una grandezza vettoriale. La forza elastica La forza elastica è la forza rodotta da un coro elastico (molla elicoidale) deformato. Una forza F alicata all estremità di una molla roduce una deformazione che si manifesta come un allungamento a della molla. Tra la forza deformante F e l allungamento a esiste la seguente relazione: F=ka dove k è la costante elastica della molla. Abbiamo la misura statica di una forza se dal valore della deformazione ossiamo risalire all intensità della forza. Abbiamo la misura dinamica di una forza quando dall accelerazione rodotta ossiamo dedurre il suo modulo. Pagina 3

4 Modulo B Le Forze Unità 1 Pagina 4 di 6 La molla è un coro elastico che si deforma, cioè si allunga quando è sottoosta ad una forza Allungamento della forza in funzione del eso alicato F=ka k è la endenza della retta che esrime la roorzionalità diretta tra la forza alicata e la deformazione rodotta. La forza deformante F alicata all stremità di una molla rovoca una deformazione s che verifica la seguente relazione: F = k s (legge di Hooke) Il coro deformato reagisce sul coro che ha rovocato la deformazione con una forza elastica il cui modulo f e verifica la relazione: fe = F = ks Nel caso di deformazioni lineari la legge di = f = k s Hooke uò essere scritta anche in forma vettoriale: F k s Come esemio di forza elastica ossiamo citare quella fornita da una molla elicoidale longitudinale, e La forza elastica di una molla è direttamente roorzionale allo sostamento del suo estremo libero dalla osizione di rioso ed è diretta in verso oosto a tale sostamento. Intensità della forza elastica in funzione dell allungamento della molla: il valore della costante di roorzionalità k (uguale al coefficiente angolare della retta della retta) vale, nel caso articolare della figura 5 N m. L unità di misura della costante k è il N m Pagina 4

5 Modulo B Le Forze Unità 1 Pagina 5 di 6 Attrito e resistenza in un fluido Le forze che si generano sulle suerfici di contatto fra due cori quando questi tendono a muoversi o già si muovono l'uno risetto all'altro vengono dette forze d attrito o resistenze assive in quanto agiscono semre in senso contrario al movimento dei cori. Le forze d'attrito sono ertanto forze che si oongono al movimento e si manifestano tutte le volte che un coro striscia o rotola su un altro coro o quando si muove in un fluido. Distinguiamo tre forze di attrito: 1) attrito del mezzo: Raresenta la resistenza che oone un fluido (liquido o aeriforme) al moto dei cori che vi sono immersi. ) attrito radente: Esrime la forza che si oone al moto di un solido che striscia su un altro solido. E la forza tangenziale che si manifesta sulla suerficie di contatto tra due cori solidi che strisciano l uno sull altro e che si oone alloro moto relativo. 3) attrito volvente: E' la forza che si oone al moto di un solido che rotola su un altro solido. Forza di attrito statico: Se un coro è fermo a contatto con una suerficie, su di esso agisce una forza di attrito statico F a, arallela alla suerficie, la cui intensità Fa soddisfa la relazione: Fa= ks P Il coefficiente di roorzionalità k s è detto coefficiente di attrito statico. Sul blocco fermo agiscono 4 forze: il suo eso P ( N = P ), la forza di trazione F ( Fs = F ). Il dinamometro misura l intensità di F, che è anche quella di F s. Nell istante in cui il blocco comincia a muoversi, F s,max, e l attrito da statico diventa dinamico. F s raggiunge la sua massima intensità F a viene chiamata forza di attrito statico er indicare la forza di attrito che si svilua fra due suerfici ferme ed in contatto. Pagina 5

6 Modulo B Le Forze Unità 1 Pagina 6 di 6 Forza di attrito dinamico: Quando il coro comincia a strisciare, la forza sviluata dalla suerficie scabra sul coro è detta forza di attrito dinamico. Risulta: Fd = kd N= kd F Il coefficiente di roorzionalità k d è detto coefficiente di attrito dinamico. kd < ks Le forze di attrito dinamico sono le forze che si manifestano tra le suerfici di due cori in movimento l uno risetto all altro. Un coro solido è sottoosto all attrito del mezzo quando si muove all interno di un fluido (liquido o gas). Se il coro si muove con una velocità v iccola, allora è valida la seguente relazione F a =kv, se la velocità è consistente allora è valida la seguente relazione F a =kv. Forze elettriche: legge di Coulomb Un coro è elettrizzato negativamente se ha un eccesso di elettroni, è elettrizzato ositivamente se ha una carenza di elettroni e quindi un eccesso di rotoni. Cariche dello stesso segno si resingono, cariche di seno oosto si attirano. Legge di Coulomb: la forza di attrazione o di reulsione tra due cariche elettriche è direttamente roorzionale al rodotto delle due cariche ed inversamente roorzionali al quadrato della loro distanza. In simboli abbiamo: qq F=k r 1 Nel vuoto la costante k assume il seguente valore: k = Nm C N = newton m = metro quadrato C = coulomb quadrato Nel l unità di misura della carica elettrico è il coulomb, definita come la carica che osta alla distanza di 1m da una carica uguale la resinge con la forza di N. Pagina 6