FORZE E MOTO

Ma IN FISICA il significato è diverso. LE FORZE Che cos’è la forza ? Il vocabolario italiano dà come sinonimi robustezza, energia, vigore, potenza, vitalità, prestanza … Ma IN FISICA il significato è diverso.

È UN MODELLO DELLA REALTÀ LA FORZA NON ESISTE NELLA REALTÀ È UN’ INTERPRETAZIONE È UN MODELLO DELLA REALTÀ CHE SPIEGA LE INTERAZIONI CHE AVVENGONO IN NATURA

LE FORZE SEMBRANO MOLTE MA … A prima vista le forze sembrano essere molte e assai diverse tra loro (forza peso, forza elettrica, forza magnetica, forze muscolari, forze di attrito, forze elastiche, resistenza dell’aria, forze intermolecolari …) ma non è così. Negli ultimi tre secoli i fisici si sono accorti che per spiegare ogni interazione tra corpi, ogni struttura che si possa osservare o creare nell’universo, bastano quattro forze … e forse anche meno di 4.

Sono fondamentali 4 INTERAZIONI Interazione gravitazionale Interazione elettromagnetica Interazione forte Interazione debole

La forza gravitazionale è comune a tutta la materia: tutti i corpi materiali si attraggono reciprocamente (non è mai repulsiva) gravitazionale elettromagnetica La forza elettromagnetica è prodotta dalle cariche elettriche: essa è sia attrattiva che repulsiva

La forza nucleare debole agisce all'interno dei nuclei atomici: essa è responsabile della radioattività nucleare debole nucleare forte La forza nucleare forte agisce all'interno dei nuclei atomici: essa tiene assieme protoni e neutroni

NOTA BENE C’ è differenza tra massa e peso: la massa resta costante, il peso cambia Nella fisica classica c’è differenza tra massa inerziale e massa gravitazionale

MASSA INERZIALE E GRAVITAZIONALE Nella meccanica newtoniana la massa inerziale e la massa gravitazionale sono due concetti diversi. La definizione operativa di massa inerziale è diversa, indipendente, da quella di massa gravitazionale, quindi sono due grandezze fisiche diverse. Non c’è motivo di ritenere a priori che non possano esistere corpi facili da accelerare ma che attirino intensamente altri corpi Però l’esperienza ci dice che in natura questo non avviene mai

L’esperienza ha messo in evidenza che i risultati ottenuti con la bilancia sono sempre in accordo con i risultati ottenuti con il confronto delle accelerazioni. Detta mg la massa gravitazionale di un corpo, il suo peso si può esprimere come Fp = mg . g Per la seconda legge della dinamica, tale forza imprimerà al corpo una accelerazione inversamente proporzionale alla sua massa inerziale mi F = mi . a Fp /mi = a a = (mg/mi).g

Massa gravitazionale / Massa inerziale tale accelerazione, quella con cui cadono gli oggetti nel vuoto, sarebbe diversa per corpi a cui corrispondessero diversi valori del rapporto Massa gravitazionale / Massa inerziale cioè mg/mi

il dato sperimentale è che a è la stessa per tutti i corpi, quindi mg = mi quindi a = g sarebbe ragionevole aspettarsi che il rapporto mg/mi dipenda da elementi quali la composizione chimica del corpo, la sua temperatura o qualche altra caratteristica fisica del corpo, l’accelerazione in caduta libera sarebbe allora diversa per oggetti diversi.

IL POSTULATO DI EQUIVALENZA L’IDENTITÀ TRA MASSA INERZIALE E GRAVITAZIONALE È IL POSTULATO SU CUI SI FONDA L’INTERA TEORIA DELLA RELATIVITÀ GENERALE DI EINSTEIN Il significato fisico dell’uguaglianza tra massa inerziale e massa gravitazionale resta sconosciuto. La massa è il concetto più criticato della fisica che “sembra eludere tutti i tentativi di una chiarificazione completa e di una definizione logicamente e scientificamente inattaccabile” MAX JAMMER, STORIA DEL CONCETTO DI MASSA

le forze agiscono sempre in due LA FORZA È UN VETTORE le forze agiscono sempre in due Per determinare una forza serve un numero seguito da un’unità di misura una direzione un verso

clicca qui per saperne di più sui vettori Come la FORZA anche LO SPOSTAMENTO È UN VETTORE LA VELOCITÀ È UN VETTORE L’ACCELERAZIONE È UN VETTORE LA QUANTITÀ DI MOTO È UN VETTORE … clicca qui per saperne di più sui vettori

sono grandezze scalari Individuate da un numero il TEMPO e la MASSA l’ ENERGIA, IL LAVORO … non sono vettori sono grandezze scalari Individuate da un numero e da un’unità di misura

PIANO INCLINATO E FORZA COSTANTE Componente del peso che trascina verso il basso Il modo migliore per ottenere una forza costante è un piano inclinato. Perché? peso ingrandimento Componente del peso che preme perpendicolarmente contro il piano

UNA SITUAZIONE FISICA REALE

RAPPRESENTAZIONE FISICA

ISOLIAMO L’OGGETTO CHE CI INTERESSA B

SCEGLIAMO UN CONVENIENTE SISTEMA DI RIFERIMENTO

QUAL È LA FORZA CHE FA AVANZARE LA POLTRONA? W = PESO (mg) della poltrona F = forza applicata dall’uomo N = FORZA NORMALE (perpendicolare) reazione vincolare della superficie d’apppoggio SCOMPONIAMO LE FORZE NELLE LORO COMPONENTI SISTEMA DI RIFERIMENTO N = Wy + Fy = -W + Fy N = Wy + Fy = -W + Fy Fx è la componente della forza, applicata dall’uomo utile all’avanzamento della poltrona.

Forza applicata dall’uomo Sistema di riferimento F è la Peso della poltrona W = mg D. SCOMPONIAMO LE FORZE Reazione vincolare W = PESO = mg Sistema di riferimento

Se non c’è attrito tra la poltrona e il pavimento allora la forza che fa avanzare la poltrona è Fx Senza attrito basterebbe una piccola spinta e … LA POLTRONA viene rappresentata con un punto, un punto di massa uguale a quella della poltrona Fx F

MASSIMA FORZA DI ATTRITO STATICO Ma se c’è attrito le cose sono diverse. MASSIMA FORZA DI ATTRITO STATICO Fx  F = forza applicata Bisogna aggiungere una forza allo schema: la forza di attrito.

Infatti la massima forza di attrito statico è Dato che la forza di attrito dipende anche dalla forza normale, la forza cioè con cui l’oggetto preme perpendicolarmente sul pavimento, la forza applicata dall’uomo aumenta la massima forza di attrito statico. N: reazione vincolare Fx  Fy F = Forza applicata dall’uomo W = Peso Infatti la massima forza di attrito statico è Fa = N nel nostro caso Fa = .(Peso + FY)

SE C’È ATTRITO, L’UOMO RIUSCIRÀ A SPOSTARE LA POLTRONA SE C’È ATTRITO, L’UOMO RIUSCIRÀ A SPOSTARE LA POLTRONA? Non è detto dipende dal coefficiente di attrito  l’uomo non sa spingere Il calcolo da fare è il seguente Fa = Fx  . N = Fx . (mg + Fy) = Fx Se  non è inferiore a 1 / tan la poltrona non si sposta

FORZA DI ATTRITO STATICO E DINAMICO È La forza che si oppone al “distacco” della poltrona dal pavimento. Serve una forza per mettere in moto la poltrona, per staccarla dal pavimento e farla scivolare sulla superficie. Dopo che è avvenuto il distacco, se l’uomo manterrà la stessa spinta che gli è servita per mettere in moto la poltrona, questa si muoverà di moto accelerato, dato che LA FORZA DI ATTRITO DINAMICO è INFERIORE ALLA FORZA CHE SERVE PER STACCARE LA POLTRONA DAL PAVIMENTO

FORZE ESTERNE E FORZE INTERNE L’uomo spinge la poltrona con una forza F, la forza è applicata alla poltrona . La poltrona spinge l’uomo con la stessa forza, la forza è applicata all’uomo. Perché la poltrona avanza? Se l’oggetto che esaminiamo è la poltrona, non ci interessa di quello che accade all’uomo; la forza applicata dall’uomo è una forza esterna e può fare avanzare la poltrona.

La forza di attrito tra uomo e pavimento Se invece esaminiamo la situazione dell’uomo, allora dobbiamo pensare anche al suo contatto con il pavimento. L’uomo viene spinto indietro dalla poltrona. L’uomo spinge contro il pavimento … il pavimento risponde … Che cosa fa avanzare insieme poltrona e uomo? Le due forze di interazione tra uomo-poltrona (l’uomo spinge e la poltrona risponde) si fanno equilibrio, sono ora forze interne, applicate allo stesso corpo (uomo+poltrona). Che cosa fa avanzare quindi insieme poltrona e uomo? La forza di attrito tra uomo e pavimento

Interazione uomo-pavimento Nel caso in cui si consideri il sistema UOMO+POLTRONA la forza esterna al sistema è dovuta all’ Interazione uomo-pavimento L’uomo punta, preme, sul pavimento, il pavimento risponde con una forza che fa avanzare l’uomo e la poltrona (quando ci riesce)

PROVATE a pensare di voler spostare un divano molto pesante, che cosa fate? Puntate con i piedi sul pavimento. E’ la forza di attrito con il pavimento che vi permette di spostarlo. Certo se non ci fosse attrito basterebbe toccare il divano per farlo muovere.

Per camminare interazione piede-terreno

TIRO ALLA FUNE e TERZA LEGGE http://www.iapht.unito.it/giocattoli/it/fune.html

IL PRINCIPIO DI AZIONE E REAZIONE Le forze visibili sono le forze muscolari applicate dagli studenti alla fune, ma ci sono molte altre forze (la forza elastica, le forze applicate dagli studenti al pavimento e dal pavimento ai piedi, le forze di gravità , ecc.) ogni forza agisce lungo una data direzione, quando lo studente tira la fune, la fune applica a lui/lei una forza opposta (freccia rossa), per il principio di azione e reazione.

Poiché lo studente spinge sul pavimento, il pavimento applica a lui/lei una forza opposta (frecce blu), per il principio di azione e reazione, la composizione delle frecce blu e rosse dà  come risultante la forza applicata allo studente, poiché la fune applica forze uguali alle due estremità , le frecce rosse sono uguali e opposte, le forze che sono differenti sono quelle applicate dal pavimento (frecce blu) e vince lo studente che riesce ad applicare la forza maggiore al pavimento.

UN GIOCOLIERE NEI GUAI Un giocoliere che trasporta tre pesanti palle deve attraversare un ponticello in grado di sopportare solo il suo peso più quello di due palle. Confidando nella propria abilità, egli decide che, per non far crollare il ponte, è sufficiente attraversarlo facendo ruotare le palle in modo che una delle tre sia sempre in volo. Il giocoliere riesce ad attraversare il ponte?

IL GIOCOLIERE NON CONOSCE LA TERZA LEGGE DI NEWTON Quando si lancia un oggetto verticalmente è necessario applicare alla palla una forza verso l’alto maggiore del peso dell’oggetto. A sua volta la palla eserciterà sul giocoliere una forza uguale e contraria (la forza sarà applicata al giocoliere e diretta verso il basso) Quindi sul ponte grava il peso del giocoliere + il peso delle due palle che ha in mano + forza maggiore del peso della terza palla dovuta all’interazione giocoliere - terza palla.

AIRSPEEDY com’è fatto prove varie Aristotele piccola forza soffio MRU urto MRUA Speedy MRUA Airspeedy

SUI VETTORI …

VETTORI E COMPONENTI b a  (-2 , 1.5) (5 , 3) (-,+) (+,+) (ax=5, ay=3) (bx= -2, by=1.5) (-2 , 1.5) (5 , 3) (ax=5, ay=3)  a b 5 -2 1.5 3 (-,-) (+,-)

SOMMA DI VETTORI (3 , 4.5) (-,+) (+,+) b (ax=5, ay=3) a  b 3 (ax=5, ay=3)  a (bx= -2, by=1.5) 1.5 -2 3 5 + (3 , 4.5) (-,-) (+,-)

DIFFERENZA DI VETTORI b a - (-1.5 , -7)  (-,+) (+,+) (ax=5, ay=3) (bx= -2, by=1.5) (ax=5, ay=3)  a b 5 -2 1.5 3 -7 -1.5 - (-1.5 , -7) (-,-) (+,-)

COMPONENTI, SOMMA, DIFFERENZA DI DUE VETTORI (-,+) (+,+)  b 3  a (ax=5, ay=3) (bx= -2, by=1.5) 1.5 -2 5 (-2 , 1.5) (5 , 3) (-,-) (+,-)

VETTORI e COPPIE ORDINATE y 3  a (ax=5, ay=3)  5 x Si può indicare, individuare un vettore, come una coppia ordinata di numeri reali

Spunti tratti da FISICA 1 (per i licei scientifici) J. Walker, Zanichelli FISICA 1 (per i licei scientifici) J. Wilson – A. Buffa, Principato L’evoluzione della fisica, Einsten - Infeld, Boringhieri Storia del concetto di massa, Max Jammer, Feltrinelli Storia del concetto di forza, Max Jammer, Feltrinelli http://www.iapht.unito.it/giocattoli/it/fune.html