Una forza è un'interazione che può deformare un corpo o modificarne lo stato di moto; quando più forze agiscono contemporaneamente, il corpo può trovarsi in equilibrio se la loro azione complessiva si annulla.
In fisica la forza è una grandezza vettoriale che descrive l'interazione tra due corpi e si misura in newton (N) attraverso il dinamometro. Ogni forza è caratterizzata da quattro elementi: punto di applicazione, direzione, verso e intensità, e per questo non basta un numero per descriverla. Le forze si rappresentano graficamente con frecce la cui lunghezza è proporzionale al modulo, secondo una scala scelta opportunamente. Esistono forze di contatto, come la spinta della mano su un libro, e forze a distanza, come la forza gravitazionale o quella magnetica. Studiare le forze significa anche imparare a sommarle, perché su un corpo agiscono quasi sempre più interazioni contemporaneamente. La somma vettoriale di tutte le forze applicate prende il nome di risultante ed è essa che determina il comportamento dinamico del corpo.
Composizione delle forze
Due forze applicate allo stesso punto si combinano secondo regole geometriche precise che dipendono dalla loro disposizione reciproca. Se le forze hanno la stessa direzione e lo stesso verso, la risultante ha intensità pari alla somma dei moduli; se hanno verso opposto, la risultante è pari alla differenza, diretta come la maggiore. Quando invece le forze formano tra loro un angolo qualsiasi, si applica la regola del parallelogramma: si traccia il parallelogramma che ha per lati le due forze e la diagonale uscente dal punto di applicazione rappresenta la risultante. Nel caso particolare di forze perpendicolari, il modulo della risultante si calcola con il teorema di Pitagora, cioè R = √(F₁² + F₂²). Un'operazione inversa utilissima è la scomposizione, che permette di sostituire una forza con due componenti lungo direzioni assegnate, tipicamente orizzontale e verticale. Questa tecnica è fondamentale per studiare oggetti su un piano inclinato, dove il peso viene scomposto in una componente parallela al piano e una perpendicolare ad esso.
Le condizioni di equilibrio
Un corpo si trova in equilibrio quando rimane fermo nel sistema di riferimento scelto, e questa condizione corrisponde a una risultante delle forze nulla. Per un punto materiale, cioè un corpo di dimensioni trascurabili, è sufficiente che la somma vettoriale di tutte le forze applicate sia zero perché l'equilibrio sia garantito. Per un corpo esteso, invece, occorre considerare anche la possibilità che il corpo ruoti, e quindi si introduce il momento di una forza rispetto a un asse, definito come prodotto tra l'intensità della forza e il braccio, cioè la distanza perpendicolare dall'asse alla retta d'azione. Affinché un corpo rigido sia in equilibrio devono valere contemporaneamente due condizioni: la risultante delle forze deve essere nulla e la somma algebrica dei momenti rispetto a un qualsiasi asse deve essere nulla. Un esempio chiaro è quello dell'altalena in equilibrio: un bambino di 30 kg seduto a 2 m dal fulcro bilancia un compagno di 40 kg seduto a 1,5 m dalla parte opposta, perché i due momenti, pari rispettivamente a 600 N·m e 600 N·m circa, si compensano. Su un piano d'appoggio entra in gioco anche la reazione vincolare, una forza che la superficie esercita perpendicolarmente per impedire la compenetrazione, e l'attrito statico, che si oppone al moto fino a un valore massimo proporzionale alla normale.
Ricorda
- La forza è un vettore: per descriverla occorrono modulo, direzione, verso e punto di applicazione, e si somma con la regola del parallelogramma o per componenti.
- Un corpo è in equilibrio quando la risultante delle forze è nulla; per un corpo esteso deve essere nulla anche la somma dei momenti rispetto a qualsiasi asse.
- Il momento di una forza dipende dal braccio: la stessa forza produce effetti rotatori diversi a seconda della distanza dall'asse di rotazione.
- Piccola verifica sul quaderno: disegna due forze applicate nello stesso punto, una di 6 N orizzontale verso destra e una di 8 N verticale verso l'alto. Costruisci graficamente la risultante con la regola del parallelogramma, poi calcolane il modulo con il teorema di Pitagora e indica l'angolo che forma con l'orizzontale (suggerimento: usa la tangente).