Principi di forza, elasticità e attrito: una guida completa

Misurazione della forza tramite velocità

La forza applicata ad un corpo ne modifica la velocità; perciò, se il corpo in questione è un corpo libero (cioè non sottoposto ad altre forze) possiamo misurarne il cambiamento di velocità per ottenere il valore della forza. In questo caso si parla di Se invece una forza deforma il corpo a cui è applicata, possiamo misurare la deformazione per risalire al valore della forza. In questo caso si parla di In un corpo elastico, ad esempio, quando la forza applicata raddoppia, raddoppia anche l'allungamento prodotto. Dunque, nella molla (che è un corpo elastico) gli allungamenti sono direttamente proporzionali ai pesi applicati.

Peso/Allungamento = Costante ---> K si chiama "costante elastica" della molla, e nel SI è espressa in Newton su metro (simbolo N/m).

Finchè la forza applicata non supera un certo valore, la deformazione prodotta è reversibile. Si dice cioè che la molla ha un Un peso che supera il limite di elasticità provoca una deformazione permanente della molla (in un grafico forza-spostamento i punti non sono più allineati).

Il peso applicato ad una molla e l’allungamento prodotto sono direttamente proporzionali solo finchè la molla mantiene la sua elasticità.

Dinamometro e legge di Hooke

Dicevamo che, facendo riferimento alla deformazione, è possibile valutare l'intensità di una forza.

Lo strumento che misura l'intensità di una forza facendo riferimento a questo concetto è il dinamometro, costituito da una molla inserita in un involucro cilindrico graduato. La taratura consiste nel misurare gli allungamenti prodotti da pesi di cui si conosce il valore. Quando la molla è stata tarata, per conoscere il peso di un oggetto qualsiasi, si appende l’oggetto all’estremo libero del dinamometro e si guarda sulla scala la posizione dell’indice.

La relazione tra forza applicata ad una molla e allungamento prodotto può essere scritta esplicitando la forza: Si tratta di una legge empirica, cioè ricavata mediante degli esperimenti del fisico Hooke. La legge non è sempre valida, perché la molla ha un limite di elasticità, superato il quale non ha un comportamento elastico.

Quando tiriamo una molla fissata ad un estremo, sentiamo che la molla reagisce con una forza che tende a farla tornare nella posizione iniziale. Questa forza di reazione, che chiamiamo forza di richiamo o forza elastica si oppone a quella che esercitiamo per allungare la molla, ed è tanto maggiore quanto più grande è la forza applicata, e quindi l’allungamento che provochiamo nella molla.

Forze risultanti e regola del parallelogramma

Se applichiamo ad un oggetto due forze F1 e F2, con la stessa retta di azione e lo stesso verso, esse equivalgono ad una sola forza Fr che ha la stessa direzione e lo stesso verso di F1 e F2, e un’intensità uguale alla somma delle intensità: Se le 2 forze hanno la stessa direzione ma verso opposto, la forza risultante ha la stessa direzione delle due forze, il verso della forza maggiore e l’intensità è la differenza fra le due intensità.

-> Per trovare la forza risultante usiamo la regola del parallelogramma:

- partendo dalla punta di F1 tracciamo la semiretta parallela ad F2

- dalla punta di F2 tracciamo la semiretta parallela ad F1

- nel parallelogramma ottenuto, tracciamo la diagonale uscente dal vertice in cui sono situate le code delle 2 forze.

La diagonale del parallelogramma rappresenta la forza risultante: Fr = F1+F2

Se le 2 forze sono perpendicolari, possiamo calcolare il modulo della forza risultante Fr con il teorema di Pitagora.

Se le forze da sommare sono tre, per trovare la risultante si applica 2 volte la regola del parallelogramma:

- si sommano le 2 forze e si trova la prima risultante

- a questa risultante si somma la 3° forza

Attrito statico e dinamico

L’attrito è dovuto alle asperità di due superfici a contatto. Prendiamo in considerazione un oggetto su di una superficie. Aumentando in modo graduale la forza applicata all'oggetto possiamo determinare il valore della più piccola forza che lo fa muovere; essa si chiama - coefficiente di attrito statico: si utilizza per calcolare la forza necessaria per mettere in movimento un corpo e quindi vincere l’attrito statico.

Coefficiente attrito statico = intensità forza di primo distacco/intensità forza premente

- coefficiente attrito dinamico: si utilizza per calcolare la forza necessaria per mantenere un corpo in movimento, cioè vincere l’attrito dinamico.

La forza di attrito statico si esercita su tutta la superficie del corpo a contatto con il piano, perciò è una forza distribuita. Essa si oppone al movimento del corpo, quindi la rappresentiamo con un vettore che si oppone all’eventuale spostamento. Per un corpo che si trova su un piano orizzontale la forza premente coincide con il peso, mentre su un piano inclinato la forza premente è minore del peso; sul piano inclinato l’attrito è minore.

Nel caso di una scatola che striscia su una superficie si parla di A parità di superfici, il coefficiente di attrito radente è minore di quello di attrito volvente, quindi la forza di attrito volvente è minore della forza di attrito radente.

L’attrito volvente dipende dalle caratteristiche delle superfici a contatto, ma anche dalle dimensioni del corpo che rotola.

Quando un corpo si muove in un fluido, è sottoposto all’attrito del mezzo, dove il termine "mezzo" indica il fluido che ostacola il movimento. La forza di attrito del mezzo dipende dal fatto che il corpo urta contro le molecole del fluido e quindi viene rallentato. La forza di attrito del mezzo dipende dalla velocità del corpo.

Se il corpo si muove a velocità elevate, la forza di attrito cambia più rapidamente perché è proporzionale al quadrato della velocità.

per approfondimenti, vedi anche:

Che cosa sono le forze

Forze - Tipi, caratteristiche e somma

Forze - Definizione