Forze - Introduzione e forza elastica e forza-peso

Se si parla di forza, a tutti viene subito in mente quella prodotta grazie a uno sforzo fisico, ma non è sempre così.
Infatti, si dice forza ogni interazione presente tra due corpi; ne sono esempi la forza del vento, o quella dell'acqua, o ancora quella esercitata dai freni in una moto.

Le forze, principalmente, si dividono in 2 tipologie:

- forze a contatto, ossia quelle che vengono impresse a un corpo venendo a contatto con esso; alcuni esempi sono dati da un pallavolista quando esegue una schiacciata oppure quando dobbiamo spostare un mobile;

- forze a distanza, che sono esercitate su un corpo senza bisogno di contatto; un esempio è dato dalla forza di gravità, che attira ogni corpo verso il centro della Terra. Per esempio, se compio un salto poi ritorno immediatamente al suolo.

Inoltre, le forze sono a tutti gli effetti grandezze vettoriali perché dotate di un modulo, di una direzione e di un verso. Si misurano in N (newton) con un dinamometro, uno strumento dotato di un gancio a cui viene appeso l'oggetto di cui bisogna misurare l'intensità della forza, leggendo il valore su una scala graduata; si tratta perciò di uno strumento analogico.

Effetti provocati dalle forze

Nel momento in cui si applica una forza a un corpo, essa può produrre i seguenti effetti:

- far traslare il corpo, per esempio quando si sposta un tavolo in avanti;

- spingere il corpo da una parte dall'altra, come quando si gioca a ping pong;

- far ruotare il corpo, come per le porte girevoli;

- far rallentare il corpo in movimento, come quando un pallone sbatte contro un muro;

- modificare la forma in un corpo, come quando si comprimono le lattine;

Forza di gravità

La forza di gravità (o forza-peso) è una forza che ogni corpo possiede per il semplice fatto di essere costituito da materia, e produce l'effetto di attirarlo verso il centro della Terra.
È una grandezza vettoriale, in quanto è costituita da un modulo, una direzione e un verso.
Il modulo della forza-peso si ricava moltiplicando la massa del corpo (espressa in kg) per la costante di gravità (9,81 N/kg), ottenendo così un valore in N (Newton); questa rappresenta l'unità di misura di qualsiasi forza, e generalmente 1 N corrisponde a una massa di 102 g.

Invece, per quanto riguarda la direzione, essa è perpendicolare al terreno, mentre il verso assunto dalla forza di gravità è dall'alto verso il basso.
Infine, è importante fare una distinzione tra forza-peso e massa, in quanto nella vita quotidiana spesso si confondono i due termini.
Ecco le principali differenze:

- la forza-peso è un vettore, mentre la massa è una grandezza scalare dato che ha bisogno solo di un valore numerico seguito da un'unità di misura;

- la forza-peso si misura in newton, mentre l'unità di misura della massa è il chilogrammo; anche per gli strumenti di misura vale la stessa cosa, in quanto per la forza-peso si utilizza il dinamometro, mentre per la massa c'è la bilancia a bracci uguali;

- la forza-peso varia a seconda del luogo in cui ci si trova: per esempio sulla Luna il nostro peso è minore, perché varia la costante di gravità. Questo accade anche se ci si trova in alta montagna e su altri pianeti. La massa, invece, rimane sempre uguale in quanto è una proprietà del corpo e non dipende dall'interazione con altri;

- la massa è una grandezza fondamentale, tra le 7 del SI, mentre la forza-peso è una grandezza derivata dal prodotto tra la stessa massa e la costante di gravità.

Forza elastica

Quando si parla di forza elastica, ci si riferisce a una molla o a un elastico; quando essi non sono soggetti a forze, si dicono “a riposo”.
Invece, se si applica una forza si produce una deformazione, che può essere un allungamento oppure una compressione, ed è qui che entra in gioco la forza elastica.

Essa infatti è quella forza che, dopo aver rilasciato la molla o l'elastico, lo fa ritornare al suo stato di riposo; per questo motivo, è detta anche “forza di richiamo”.

Dato che la molla ritorna nello stato iniziale, allora le forze applicate hanno somma pari a un vettore nullo: la forza elastica, dunque, presenta lo stesso identico valore della forza necessaria a produrre una deformazione.

Legge di Hooke e costante elastica

La forza elastica e il relativo allungamento presentano un determinato rapporto, espresso dalla legge di Hooke, che dice che la forza elastica e il rispettivo allungamento sono direttamente proporzionali e che hanno versi opposti.
Questo si può anche dimostrare, in quanto se raddoppia una vale lo stesso per l'altra, con un rapporto che si mantiene costante; in forma di grafico si ottiene una semiretta uscente dall'origine degli assi.

Ogni molla è dotata di una propria costante elastica, ossia la forza necessaria per produrre un determinato allungamento. La formula necessaria per ricavarla è la seguente:
F elastica
k = --------------
allungamento

da cui:
F elastica= k X allungamento
e
Allungamento= F elastica/k

Infine, con la rappresentazione vettoriale, F elastica = - (k X allungamento), con segno negativo davanti in quanto i vettori hanno versi opposti.