Forza. Forza. Esempi di forze. Caratteristiche della forza. Forze fondamentali CONCETTO DI FORZA E EQUILIBRIO, PRINCIPI DELLA DINAMICA

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1 Forza CONCETTO DI FORZA E EQUILIBRIO, PRINCIPI DELLA DINAMICA Cos è una forza? la forza è una grandezza che agisce su un corpo cambiando la sua velocità e provocando una deformazione sul corpo 2 Esempi di forze Forza Esiste un unica tipologia di forza? Esistono due tipologie di forza: forze a contatto, dove è necessario un contatto tra il corpo che esercita la forza e chi la subisce e forze a distanza che fanno sentire la loro influenza senza contatto tra i corpi Un ragazzo che trattiene un aquilone con un filo esercita una forza concentrata su una superficie molto più piccola di quella della superficie dell aquilone, si dice in questo caso che la forza è concentrata in un punto. Un vaso di fiori è poggiato sul davanzale di una finestra. Il davanzale esercita un azione distribuita su tutto il vaso, in questo caso la forza è ripartita su una superficie e trattiene il vaso. 3 4 Caratteristiche della forza Unità di misura: N ( Newton ), grandezza derivata 1 N = 1 m / s 2 Kg La forza è un vettore quindi possiede: modulo,verso e direzione Quando si applica una forza ad un corpo viene applicata ad un unico punto chiamato baricentro Forze fondamentali Esistono alcuni tipi di forza che agiscono a distanza e sono responsabili di buona parte dei fenomeni fisici. Esse prendono il nome di forze fondamentali: forza gravitazionale, forza nucleare forte, forza elettromagnetica, forza nucleare debole 5 6

2 Forze fondamentali: forza gravitazionale E una forza attrattiva che si esercita tra due masse. La forza ha un intensità piccola e diventa importante quando le masse sono molto differenti tra di loro, come ad esempio la terra e una mela. La forza gravitazionale tra due masse di un Kg è 6, N Forze fondamentali: forza elettromagnetica E dovuta al fatto che dentro ogni corpo ci sono delle cariche elettriche positive e negative. La forza elettromagnetica può essere sia attrattiva sia repulsiva ed è la causa di tutti i fenomeni elettrici e magnetici. E responsabile della struttura degli atomi e della materia. E molto più forte di quella gravitazionale 7 8 Forze fondamentali: forza nucleare forte E la più intensa che esiste in natura, agisce dentro i nuclei atomici, ed è responsabile delle reazioni nucleari. Agisce su distanze molto piccole. Forze fondamentali: forza nucleare debole E meno intensa della forza nucleare forte e di quella elettromagnetica ma maggiore di quella gravitazionale. E responsabile del decadimento radioattivo. La forza debole e la forza elettromagnetica sono aspetti diversi della stessa iterazione 9 10 Forze di attrito Le forze di attrito si verificano quando si vogliono muovere due corpi a contatto. L attrito è dovuto al fatto che le superfici a contatto sono irregolari e ruvide 11 Forza di attrito statico E la forza di attrito da vincere per muovere un corpo, è proporzionale alla forza di primo distacco, ossia la forza da applicare per vincere l attrito. E una forza distribuita su tutta la superficie del corpo. 0 F as k s F P con F p = forza che agisce sul corpo, F as = forza di attrito statico, k s = coefficiente di attrito statico. Il valore del coefficiente di attrito dipende dalla natura delle superfici di contatto 12

3 Forza di attrito radente E la forza di attrito presente su un corpo in movimento che striscia su una superficie, è una forza distribuita F ar = k r F p con F ar = forza di attrito radente, F p = forza applicata e k r = coefficiente di attrito radente Il valore del coefficiente di attrito dipende dalla natura delle superfici di contatto 13 Forza di attrito volvente E la forza di attrito presente su un corpo in movimento che rotola su una superficie, è una forza distribuita F av = k v F p con F ar = forza di attrito radente, F p = forza applicata e k r = coefficiente di attrito radente Il valore del coefficiente di attrito dipende dalla natura delle superfici di contatto e dalle dimensioni del corpo che rotola. Il cuscinetto a sfera è un dispositivo che trasforma l attrito radente in attrito volvente 14 Forza di attrito viscoso o del mezzo E la forza di attrito presente su un corpo in movimento all interno di un mezzo gassoso o fluido La forza di attrito del mezzo dipende dalla sua superficie e dalla densità del mezzo in cui si muove. Inoltre aumenta all aumentare della velocità del corpo. La relazione di proporzionalità tra forza di attrito e velocità è lineare per piccole velocità e parabolica per alte velocità: F a = h v 2 o F a = h v Equilibrio Cosa si intende per equilibrio di un corpo? Un corpo è in equilibrio quando al corpo stesso non vengono applicate forze, ossia la risultante delle forze è nulla Esempio di corpo in equilibrio Un corpo poggiato su un tavolo è in equilibrio poiché il tavolo esercita una forza ( reazione vincolare ) opposta alla forza di gravita che spinge il corpo verso il centro della Terra. R v + P = 0 con R v = reazione vincolare del tavolo e P = forza peso del corpo Vincolo di un corpo Si chiama vincolo un oggetto che esercitando una forza, impedisce ad un altro oggetto di effettuare certi movimenti nello spazio. Le forze esercitate dai vincoli si chiamano reazioni vincolari 17 18

4 Punto materiale e corpo rigido Si chiama punto materiale un oggetto di dimensioni molto piccole rispetto al contesto cui lo riferiamo Un corpo rigido è un corpo non deformabile da una forza. Il punto materiale viene usato per trattare le forze che agiscono sui corpi rigidi, si prende in considerazione un punto chiamato baricentro del corpo 19 Moto di un corpo su piano inclinato Quando un corpo si trova su un piano inclinato si ha l azione della forza peso e quella della reazione vincolare del piano inclinato. Se la componente della forza peso nella direzione del piano inclinato è sufficiente a vincere la forza di attrito il corpo si muove. Si dimostra: P P-INCLINATO = (p h) / l 20 Forza equilibrante Quando un corpo non è in equilibrio per portarlo all equilibrio è sufficiente applicare una forza uguale e opposta alla risultante. Osservazione Se si svita un bullone usando una chiave inglese si osserva che: Una persona adulta fa ruotare il bullone più facilmente di un bambino perché esercita una forza maggiore Una forza applicata in un punto lontano dal bullone lo fa ruotare con più facilità rispetto ad una forza applicata vicino Se si esercita sul bullone una forza applicata verso il centro di rotazione il bullone non ruota F EQUILIBRANTE = - F RISULTANTE Momento di una forza Il momento di una forza consente di amplificare la forza esercitata in un punto ed è pari all intensità della forza moltiplicata per la distanza del punto di applicazione e la retta dove si trova la forza M = b F con b = braccio e F = forza applicata Unità di misura: m N ( metro Newton ) Un momento di forza è positivo se produce una rotazione in senso antiorario, negativo se produce una rotazione in senso antiorario Equilibrio rispetto alla rotazione Si dice che un corpo è in equilibrio rispetto alla rotazione di un particolare punto quando la somma algebrica di tutti i momenti di forza applicati rispetto al punto è nulla. R = M 1 + M 2 + M 3 + = 0 Nell esempio sottostante c è equilibrio perché: P 1 b 1 = P 2 b

5 Coppia di forze Due forze parallele e opposte applicate in punti diversi di uno stesso corpo rigido formano una coppia di forze Si chiama braccio della coppia la distanza tra le direzioni ( rette ) delle due forze, mentre il momento è il prodotto del braccio per una delle due forze Le coppie di forze possono fare entrare in rotazione un corpo se hanno stessa direzione ma verso opposto Coppia di forze equivalenti Due coppie di forza sono equivalenti se, agendo sullo stesso piano e sullo stesso corpo, hanno momenti uguali e opposti Macchina semplice Coppia di forze equivalenti Un macchina semplice è caratterizzata da un guadagno G = guadagno della macchina = ( forza resistente / forza motrice ) Cos è una macchina semplice? Si chiama macchina semplice un dispositivo che serve per vincere o equilibrare una forza applicando un altra forza di intensità e direzione diversa Leve Una leva è costituita da un corpo rigido che può ruotare intorno ad un punto chiamato fulcro La forza motrice ( F m ) e la forza resistente ( F r ) sono applicate a distanza rispettivamente b m e b r dal fulcro. Vale la relazione: F m b m = F r b r Leve A seconda della posizione che occupa il fulcro rispetto alle due forze si distinguono 3 tipi di leve I genere: il fulcro sta tra le due forze II genere: la forza resistente sta tra il fulcro e la forza motrice III genere: la forza motrice sta tra il fulcro e la forza resistente 29 30

6 La bilancia a bracci uguali è una leva di primo genere. I punti di applicazione delle forze sono equidistanti dal fulcro. Conoscendo il peso P 1 è possibile calcolare P 2 usando la definizione di leva: P 1 b 1 = P 2 b 2 poiché b 1 = b 2 allora P 2 = P 1 Esempio di leva La carrucola è formata da un disco che gira attorno ad un asse e passa per una staffa fissata ad un sostegno rigido. Sull esterno del disco è presente una scanalatura chiamata gola nella quale si fa scorrere una fune. Carrucola Carrucola La carrucola fissa è una leva di primo genere e consente di vincere una forza applicandone un altra di uguale intensità. Non amplifica la forza però consente di cambiare verso alla forza La carrucola mobile è una leva di secondo genere. In questo caso il braccio della forza resistente è pari alla metà di quello della forza motrice, quindi la forza viene amplificata. Viene usata per sollevare pesi. Baricentro Cos è il baricentro? Si chiama baricentro di un corpo il punto in cui viene applicata la risultante delle forze che agiscono sul corpo Baricentro di un solido regolare Se un corpo solido è regolare e omogeneo come densità il baricentro si trova al centro del corpo. La materia si distribuisce quindi attorno ad esso, è il caso della sfera, altrimenti il baricentro si trova sperimentalmente 35