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LA FORZA. Per FORZA si intende una mutua interazione tra due corpi diversi. Questo significa che, se un corpo è sottoposto all'azione di una forza, deve.

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1 LA FORZA

2 Per FORZA si intende una mutua interazione tra due corpi diversi. Questo significa che, se un corpo è sottoposto all'azione di una forza, deve essere presente un altro corpo nelle vicinanze, cioè nell'ambiente esterno al corpo stesso. Ci sono sostanzialmente due modi di rappresentare l'interazione tra corpi diversi: una azione che si manifesta a distanza (secondo questo concetto la Terra e la Luna si attraggono senza bisogno di contatto); i corpi creano un campo, cioè una modifica dello spazio circostante che diventa un intermediario per altri corpi che si trovino nel campo (per esempio la presenza della Terra crea un campo gravitazionale che esercita una forza sulla Luna).

3 Corpo 1 (Sistema)Corpo 2 (Ambiente)Interazione TerraLuna Forza di attrazione gravitazionale oggetto che cadeTerra Forza di attrazione gravitazionale pugile 1pugile 2Forza di un pugno chiodo di ferrocalamita Forza di attrazione magnetica elasticopersona Forza per allungare l'elastico valigiafacchinoForza per trainare la valigia : Per avere una forza c'è bisogno della presenza di due corpi diversi e ognuno dei due corpi è sottoposto all'azione dell'altro. Vediamo qualche esempio

4 La grande varietà delle forze naturali, si riduce a poche forze fondamentali: le forze gravitazionali che tengono insieme l'universo, pur essendo le più deboli le forze elettriche e magnetiche di cui fanno parte anche tutte le forze di contatto le forze nucleari deboli responsabili della radioattività le forze nucleari forti che tengono insieme i nuclei degli atomi

5 DINAMOMETRO Lo strumento per misurare le forze si chiama dinamometro. Il dinamometro è una molla elastica che si allunga (o si comprime) in modo proporzionale alla forza applicata (o meglio alla coppia di forze, perché il dinamometro si deforma se sollecitato da due parti opposte) e che ritorna alla lunghezza iniziale quando la sollecitazione finisce. La scala del dinamometro è normalmente tarata in newton (simbolo N) che è l'unità di misura della forza nel Sistema Internazionale. Il newton è una unità di misura derivata e corrisponde all'incirca alla forza con cui la Terra attira una massa di 100 g (cioè il peso di una massa di 100 g). Se l'intensità della forza è troppa, la molla può perdere elasticità o addirittura rompersi, quindi ogni dinamometro va utilizzato entro determinati limiti (portata dello strumento).

6 LA PRESSIONE

7 Per deformare un oggetto solido, per esempio una palla di gomma, occorre che qualcosa al di fuori dell'oggetto eserciti su di esso una coppia di forze. Come si può esercitare una forza su un corpo fluido? Chiamiamo fluidi tutti i corpi che non si trovano in fase solida: sono fluidi i liquidi, i vapori e i gas. Il comportamento di un corpo fluido è diverso da quello di un corpo solido: il fluido non ha forma propria, ha bisogno di un contenitore per essere maneggiato. Come possiamo comprimere dell'acqua o dell'aria? L'acqua e i liquidi in genere sono pochissimo comprimibili, a meno di non esercitare forze enormi; l'aria e i gas invece si comprimono facilmente. Come si esercitano queste forze?.

8 Consideriamo un piccolo recipiente cilindrico, chiuso da uno stantuffo libero di scorrere (si pensi a una comune siringa in cui il buco dell'ago sia stato tappato): si può esercitare una forza sull'aria contenuta nel cilindro spingendo sullo stantuffo. Quindi per agire sui corpi fluidi abbiamo bisogno di distribuire la forza su una superficie: la forza esercita una pressione se il suo effetto si distribuisce su una superficie perpendicolare alla direzione della forza. La pressione è una nuova grandezza fisica utilizzata specialmente quando si tratta di fluidi. Quando la forza è perpendicolare (normale) alla superficie, la pressione è definita come il rapporto tra l'intensità della forza e la superficie. Pressione = forza (normale) / superficie p=F/S

9 La forza è una grandezza vettoriale, la pressione è uno scalare. Essa ha quindi una intensità, ma non una direzione e si somma algebricamente come tutte le grandezze scalari. L'unità di misura della pressione nel SI è il pascal (simbolo Pa): 1 Pa = 1 N / m 2 Questa unità di misura è molto piccola perchè rappresenta una piccola forza di 1 N distribuita su una grande superficie di 1 m 2. Molto comunemente si usano i kPa.

10 Con una piccola forza sul pedale del freno di un'automobile la pressione si trasmette attraverso il liquido del circuito frenante fino alle ganasce che hanno una grande superficie ed esercitano, a parità di pressione, una grande forza sul disco collegato alle ruote. Principio di Pascal La pressione esercitata in un punto qualunque di un fluido, si trasmette inalterata su tutti i punti del fluido

11 La pressione atmosferica Per avere un'idea della pressione atmosferica possiamo considerare un comune beverino per uccellini: esso è costituito da un piccolo recipiente che viene riempito d'acqua e poi capovolto su una vaschetta dalla quale l'uccellino può bere. Sull'acqua della vaschetta si esercita la pressione atmosferica e la pressione della riserva d'acqua nella colonnina. Se fosse maggiore la pressione della riserva d'acqua, l'acqua traboccherebbe dalla vaschetta, invece essa è trattenuta nella colonnina perché la pressione atmosferica è maggiore di quella della riserva d'acqua. In realtà con l'acqua non è possibile misurare in laboratorio la pressione atmosferica: per eguagliarla ci vorrebbe una colonna d'acqua alta più di 10 metri! Questa misura si può fare utilizzando un liquido molto più denso dell'acqua, come il mercurio.

12 la pressione diminuisce sela pressione aumenta se si cammina sulla sabbia piuttosto che sui sassi si calzano scarpe chiodate o tacchi a spillo si hanno zampe grosse come quelle degli elefanti la lama di un coltello che taglia il pane è affilata si cammina sulla neve con le ciaspole o gli sci si spinge una puntina da disegno nel legno A parità di forza, la pressione è inversamente proporzionale alla superficie:

13 La misura della pressione atmosferica con il mercurio (esperienza di Torricelli) fornisce, al livello del mare e in condizioni climatiche standard, un valore uguale alla pressione di una colonna di 760 millimetri di mercurio, detta anche 1 atmosfera. 1 atmosfera = 760 mmHg (millimetri di mercurio) I millimetri di mercurio (o torr) non sono una unità di misura SI, ma sono usati in ambito medico per la misura della pressione del sangue. E’ possibile convertirli in Pascal Esperienza di Torricelli

14 Principio di Stevino La forza peso può essere espressa come prodotto della massa m del liquido per il campo gravitazionale g e la massa, a sua volta è data dal prodotto della densità d del liquido per il suo volume V. Tenendo conto del significato dei simboli, osserva i passaggi qui a lato. Poichè il volume del liquido è dato dal prodotto dell'area di base per l'altezza h della colonna, si ha che V/S = h La pressione di una colonna di liquido è proporzionale all'altezza della colonna, alla densità del liquido e al campo gravitazionale. Essa non dipende dalla superficie di base. p = d g h

15 h = 760 mm = 0,76 m d = kg/m 3 g = 9,8 N/kg p = 0,76 m * kg/m 3 * 9,8 N/kg = 1, Pa = 1 atmosfera Nel nostro caso si ha p= dgh con: La pressione atmosferica ha quindi un ordine di grandezza di 10 5 Pa, oppure di 10 3 hPa (normalmente si usano gli ettopascal). La pressione atmosferica viene anche misurata in bar (= 10 5 Pa), ma questa non è una unità di misura SI.

16 La forza diretta verso l'alto sui corpi immersi in un fluido si dice spinta di Archimede.Archimede Spinta di Archimede L'intensità della spinta di Archimede è uguale al peso del volume spostato dal corpo immerso. F A = d g V La spinta di Archimede è la forza responsabile del galleggiamento dei corpi. Se una barca è immobile nell'acqua, la situazione di equilibrio è dovuta all'azione di due forze opposte che si bilanciano: la forza peso diretta verso il basso e la spinta di Archimede diretta verso l'alto. In un corpo che galleggia la percentuale di volume immerso rispetto al totale è uguale al rapporto tra la sua densità e la densità del fluido V i /V = d / d f

17 Un tappo di sughero (d = 240 kg/m 3 ) rimane immerso per il 24% del suo volume in acqua, per il 34% nella benzina e solo per il 2% nel mercurio. La spinta di Archimede non dipende dalla densità del corpo immerso, ma da essa, o meglio dal confronto tra le due densità del corpo e del fluido, dipende il tipo di galleggiamento o il non-galleggiamento. se la densità del corpo è minore di quella del fluido, allora il corpo immerso sale verso l'alto e galleggia se la densità del corpo è maggiore di quella del fluido, allora il corpo va a fondo se la densità del corpo è uguale a quella del fluido, allora il corpo immerso rimane dov'è (equilibrio indifferente)

18 La spinta di Archimede si esercita sia su corpi immersi nei liquidi, sia su corpi immersi nei gas e quindi su qualunque oggetto che ci circonda che è immerso nell'aria. Poichè la densità dell'aria è solo dell'ordine di 1 kg/m 3, questa forza è spesso trascurata, anche se nelle pesate di precisione bisogna tener conto di questo effetto. La spinta dell'aria è invece importante per corpi di densità minore di quella dell'aria: su questo effetto si basa la costruzione degli aerostati, come le mongolfiere o i dirigibili, ma anche l'ascesa di un comune palloncino riempito di elio.


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