Appunti della lezione con una personale rielaborazione dell’esame di “Laboratorio Fisica sperimentale e applicazioni didattiche”

La scoperta della massa

Newton partì da due esperimenti per mettere le basi della fisica meccanica:

1. Consiste in misurazioni ripetute di accelerazione in condizioni controllate:

   1. Tirando un elastico, cercare di far accelerare un oggetto, che sceglierete come vostro "campione di riferimento", ad esempio una mela, su un piano liscio. Si fa un'azione sul corpo per farlo accelerare.
   2. Annotate la lunghezza dell'elastico (bisogna lasciarlo uguale per tutto l'esperimento) e misurate l'accelerazione dell'oggetto.
   3. Prendere un oggetto identico al primo e unitelo a questo, formando un oggetto fatto di due oggetti uguali.
   4. Tirare di nuovo l'elastico, riproducendo lo stesso allungamento di prima.
   5. Misurare di nuovo l'accelerazione e si noterà che è esattamente la metà di quella precedente.
   6. Ripetere con 3 e poi 4 oggetti tenuti assieme e verificate che l'accelerazione diminuisce di tre e di quattro volte.

Rispetto quella segnata all'origine. INERZIA Si è scoperta l'esistenza di una nuova grandezza, propria di ogni corpo: la sua adaccelerare. Nuova grandezza fisica che possiamo misurarla.

Come si fa a misurarla: Si ripete la procedura descritta in precedenza, facendo accelerare l'oggetto di inerzia incognita (facendo attenzione a mantenere inalterato l'allungamento dell'elastico). Ad esempio: tale accelerazione è la metà di quella originaria. Allora potremmo dire che l'oggetto ha la stessa inerzia di due campioni di riferimento tenuti insieme, ovvero un'inerzia pari a due volte quella di riferimento.

MASSA Oggi quella grandezza, che Newton chiamava inerzia, oggi viene chiamata la cui unità di misura è il Kg.

② Permette di scoprire le FORZE Verranno effettuate ancora misure di accelerazione.

1) Tiriamo ancora un oggetto con l'elastico, su un piano liscio (per ridurre i fattori dovuti all'attrito),

emisuriamone l'accelerazione²) Ripetiamo con l'elastico allungato in modo differente, e annotiamo il valore della nuova accelerazione³) Ebbene, se provassimo a tirare lo stesso oggetto con i due elastici, allungati esattamente come prima e simultaneamente, noteremmo che l'accelerazione è diventata esattamente pari alla somma delle due accelerazioni precedenti.⁴) Tale risultato sarà confermato quale che siano gli sforzi di partenza e quale che sia l'oggetto tirato⁵) Come per il caso che ha portato alla scoperta della "massa", questi esperimenti consentono di definire la grandezza che quantifica lo sforzo effettuato: ossia la forza.Supponiamo di voler quantificare un'azione generica prodotta su un corpo.Ebbene, come per la massa, è necessario scegliere una forza di riferimento (unitaria): si chiama infatti Newton, l'intensità della forza che produrrebbe un'accelerazione unitaria (1 m/s²) su un oggetto di massa

unitaria (1 kg). In modo del tutto analogo a quanto detto per la massa, una forza avrà intensità pari al rapporto tra l'accelerazione da essa prodotta, e quella prodotta da un solo newton sullo stesso oggetto.

Domanda: Immaginate una forza e come potreste fare a misurarla?

Le due precedenti leggi possono essere espresse con una sola formula, che ricorda come le "nuove" grandezze sono legate all'accelerazione:

LA LEGGE DI NEWTON (secondo principio della dinamica)

Enunciato: "L'accelerazione di un corpo è dovuta all'azione delle forze ed è pari al rapporto tra la risultante delle forze applicate e la massa del corpo stesso"

- La massa del corpo che sta accelerando è inversamente proporzionale all'accelerazione.

- La forza esercitata sull'oggetto è direttamente proporzionale all'azione che provocherà.

Se su un corpo agiscono più forze si deve trovare la RISULTANTE (la somma delle forze).

vettoriale di tutte le forze).

Come viene utilizzata:

Conoscendo il moto del corpo, si ricavano le forze applicate in particolare nel caso statico, con a=0

Conoscendo le forze applicate, sempre che si conosca la massa del corpo, si riva il modo del corpo, prima l'accelerazione e poi la sua velocità e posizione.

Esercizio:

1. Se un corpo non accelera la risultante delle forze applicato ad esso è nulla
2. Se un corpo accelera la risultante delle forze applicate ad esso non è sicuramente nulla
3. Se un corpo è sottoposto a una risultante di forze non nulla, allora il corpo accelera
4. Se su un corpo la risultante della forza è nulla, allora il corpo non accelera
5. Se su un corpo una forza è nulla non possiamo dire nulla perché non è detto che la risultante sia nulla

Guarda esercizio sulla legge di Newton.

Esercizi:

1. Calcolare la forza che agisce su un corpo sapendo che la massa è 1 kg e

l'accelerazione 2 m/s²

F=ma F=1 Kg 2 m/s²= 2 N

2) Siano F1= 2N e F2=3N —> RISULTANTE. Stessa direzione quindi 5N

3) m=2 kg F1=5N F2=1N a=F/m. Posso ricavare solo il moto ma non posso ricavare il moto, ho bisogno delle condizioni iniziali.

LE FORZE (caratteristiche)

I 4 attributi di una forza:

I due corpi interagenti:

1) la forza descrive l'azione compiuta (esercitata) da un corpo sull'altro (che la subisce). Bisogna scrivere a pedice per primo il corpo che l'esercita e per secondo quello che la subisce: F_ab. Se per esprimere la forza, è necessario che i due corpi si tocchino, la forza si dice "di contatto", altrimenti "azione a distanza".

punto di applicazione

2) Il appartenente al corpo che subisce la forza (dove viene esercitata la forza), può essere uno solo oppure un'intera superficie (forza di superficie) o un intero volume (forze di volume)

3) L'orientazione (direzione e verso)

4) L'intensità o modulo.

( N= unità di misura)Ogni forza può essere rappresentata da un SEGMENTO ORIENTATO APPLICATOOgni forza è una grandezza vettoriale, e può quindi essere scomposta in più forze componenti eviceversa, più forze possono essere sostituite dalla loro risultante.

Esercizio: descrivere una forza esercitata da voi stessi , per spingere o per sostenere un oggetto.Provate anche a rappresentarla graficamente.

La Forza Peso o di gravità

1. È esercitata dalla Terra su tutti i gravi ( corpi la cui distanza dalla superficie della Terra è molto piùpiccola rispetto al raggio della Terra) quindi P = Ftg
2. Tutti i punti del corpo sono soggetti a tale forza, si dice che è una forza di VOLUME, si puòdeterminare un CENTRO DI GRAVITÀ (baricentro) come unico punto di applicazione (azione adistanza).
3. L’orientazione: in ogni punto della superficie terreste la forza ha la direzione individuata

dallaverticale)congiungente del baricentro del grave con quello della Terra (direzione chiamata ebasso alto,comprendente i versi (verso il baricentro della Terra e opposto). Il piano perpendicolarepiano orizzontale,alla verticale di chiama che individua, sulla volta celeste, la linea dell’orizzonte)4) L’intensità della forza peso dipende solo dalla massa del corpo essendo pari a m per unacostante. Tale costante è indicata con g, chiamata accelerazione di gravità e vale 9,81 m/s2 (inmedia sulla superficie terrestre, aumentando un po’, tuttavia, con la latitudine e diminuendo conl’altitudine).

Esercizio: si calcoli l’accelerazione di un corpo in caduta libera e di mamma m=2 kgL’accelerazione di un corpo = Risultante/m. In questo caso la risultate è solo Fg. Quindi Fg=mgLe Forze Vincolari (secondo principio della dinamica, quando a=0)Come individuare ogni forza vincolare senza sbagliare: se una forza compiuta da un corpo A

agiscesu un corpo B senza produrre effetti (accelerazione), è probabile che siate in presenza di una forza vincolare. Tale forza deve essere esercitata da un terzo corpo C, sempre agente sul corpo B che non accelera. La prima forza verrà chiamata Motrice, la seconda Vincolare. Le due forze hanno stesso modulo e orientazione opposta Fcb= Fac. Si pensi a un tavolo dove posso appoggiare corpi di peso differente. Ciascuno di essi, pur soggetto alla forza peso (la forza motrice che tende ad accelerarli verso il basso) sono sostenuti dal tavolo, che costituisce un vincolo al loro movimento verticale (almeno finché non si rompe). In termini newtoniani, il tavolo esercita su ciascuno di quei corpi una forza diversa: la giusta forza (detta vincolare) che bilancia esattamente la corrispondente forza peso. In generale, i Vincoli sono sistemi che pongono dei limiti al moto del corpo, opponendosi alla forza motrice. Le forze da essi esercitate, finché non si rompono, sono chiamate FORZE.

VINCOLARI sono imposte dalle condizioni della statica. Quindi, in generale, aumentano se aumenta la forza motrice: se il corpo può accelerare, lungo una certa direzione, a causa del vincolo, lungo quella stessa direzione la forza motrice sarà bilanciata dalla componente, lungo la stessa direzione, della forza vincolare: Rmotrice = Rvincolare

Esercizio: forza di sostegno che sto facendo io sulla bottiglia è uguale al peso della bottiglia. Punti d'applicazione: tutti i punti in cui la sto toccando

Le Forze di Reazione (terzo principio della dinamica)

Un'altra importantissima classe di forze, dette di reazione, è introdotta dal terzo principio della dinamica. Se un corpo A esercita una forza su un corpo B (Fab), allora anche B eserciterà una forza su A (Fba) e tale forza (di reazione) sarà uguale e contraria alla prima, nonché agente sulla stessa retta d'azione.

Esempi notevoli:

• Forze che producono

locomozione (sul suolo, in acqua, in aria, nel vuoto).

• Forze di resistenze passiva
• Forza percepita sostenendo un peso con la mano (peso apparente)
• Forze impulsive: la forza prodotta da un corpo contundente ha, per il terzo principio, intesità paria quella subita dallo stesso quando viene arrestato, quindi: F= mc.cont. (Viniz. /T arresto)

Per individuare senza sbagliare una forza di reazione, si inventano i pedici della corrispondente azione.

La forza che percepisco è quella di reazione. Tirando su un libro è la forza che il libro applica su di noi.

Dalla posizione eretta faccio un passo: c'è un'accelerazione quindi c'è una risultante, il pavimento mi permette di accelerare. Il piede esercita una forza sul pavimento.

Martello che colpisce, forza che applica il martello sul chiodo, la forza del chiodo è quella direzione dalla forza fatta sul chiodo.

Tiriamo la fune per imparare i Principi di NQuando tiriamo la fune

applichiamo i pri