Fisica

Le Forze

Una forza applicata a un corpo in grado di muoversi lo mette in moto quindi le forze producono effetti dinamici. Se il corpo non si può muovere per via di un vincolo la forza produce la deformazione del corpo e del vincolo. Esse producono effetti dinamici ma anche statici e sono causa del movimento di corpi in quiete o dell'arresto di corpi in movimento ma anche della deformazione di corpi vincolati. Esempi di forza: peso,elettrica,magnetica,elastica,di attrito.

Misura statica delle forze

Due forze si definiscono uguali se applicate a uno stesso corpo producono uguali deformazioni. Basandosi su questo principio il dinamometro misura l'allungamento subito da una molla per effetto di un corpo che la trascina verso il basso. Il dinamometro deve essere precedentemente tarato misurando gli allungamenti prodotti da forze note, usando una serie di campioni uguali(cilindretti metallici dello stesso materiale con uguale base, altezza). Poi si pone un porta pesi all'estremità libera fornito di un indice che in partenza indica lo zero su un asta verticale graduata. Completata la taratura il dinamometro può essere usato per misurare forze di intensità incognita. In ogni misurazione il dinamometro deve essere usato nelle condizioni di taratura. Le forze si misurano in newton ma alcuni dinamometri sono tarati col kilogrammo-peso che rappresenta il peso del corpo di platino-iridio assunto come campione di massa posto a 45° di latitudine e a livello del mare. Oppure è usato il grammo-peso, che vale un millesimo del Kgp.

Le forze come vettori

Una forza produce effetti dinamici ma questi possono avere direzioni e versi differenti e quindi la forza è una grandezza individuata da un valore numerico chiamato intensità o modulo, un verso e una direzione perciò è una grandezza vettoriale. La prova sperimentale di questa deduzione è che le forze si sommano secondo la regola del parallelogrammo caratteristica delle forze vettoriali. L'operazione con cui si determina la risultante di due forze si chiama composizione delle forze assegnate e le forze che la determinano si chiamano componenti. L'intensità della risultante di due forze è maggiore della differenza e minore della somma delle intensità delle componenti. E' uguale alla somma se le componenti hanno direzione e verso uguali, alla differenza se i versi sono opposti. La costruzione di due forze componenti di una forza assegnata si chiama scomposizione delle forze. Se è data la sola risultante il problema ha infinite soluzioni mentre ne ha una sola se vengono fornite le direzioni delle componenti.

Equilibrio di un punto materiale

Se a un punto materiale è applicato un sistema di più forze complanari si può determinare la risultante mediante successive regole del parallelogrammo ed essa  equivale al sistema delle forze ma si può determinare col procedimento grafico noto come poligono delle forze: bisogna costruire la poligonale riportando consecutivamente a partire dalla punta della freccia di un vettore tanti vettori uguali a quelli che rappresentano le forze del sistema e la risultante avrà per estremi il punto di applicazione della prima forza e la punta dell'ultimo vettore tracciato. Più forze applicate a uno stesso punto materiale costituiscono un sistema equilibrato se la risultante del sistema di forze è nulla e la poligonale è una spezzata chiusa. In presenza di vincoli vanno considerate anche le reazioni vincolari. La rappresentazione di tutte le forze agenti è nota come corpo libero; H=AC l=BC. La catena considerata deve essere in equilibrio perché se no sarebbe in movimento perpetuo in contrasto con il principio di conservazione dell'energia. Per simmetria può non essere considerato il tratto AB quindi i dischi dell'ipotenusa sono equilibrati a quelli del cateto ma allora essendo i pesi proporzionali ai lati F/P=h/l

Per equilibrare un corpo su un piano inclinato con un altro corpo sostenuto da un cavo la tensione dovrà essere uguale alla componente del peso di questo parallela al piano e diretta verso il basso mentre quella perpendicolare è già equilibrata dalla reazione vincolare del piano.

Il moto visto dinamicamente

Il problema della causa dell'accelerazione fu risolto da Newton (fisico,matematico,astronomo,filosofo,dopo aver studiato a Cambridge vi tornò a insegnare nel 1667, membro di numerose accademie, ebbe esperienza politica, philosophiae naturalis principia mathematica, indagini meccaniche e astronomiche, opti, teoria corpuscolare della luce,arhitmetica universalis e methodus fluxionum et serierum infinitarum. Sepolto a Westmister. Grazie alla sua opera si è giunti a formulare i principi della dinamica completando la costruzione matematica del mondo della natura di Galileo.

Forza e velocità secondo Aristotele

In tutta la Fisica pregalileiana si pensava che fosse necessaria una forza per mantenere in moto un corpo con una certa velocità. Pensavano che una forza costante che agisce su un corpo comunica ad esso una velocità costante e che la velocità acquistata da un corpo in seguito all'azione di una forza è inversamente proporzionale alla massa ma Aristotele si accorse che l'esperienza non confermava quest'ultima legge nel caso in cui tra forza e massa c'è una proporzione molto grande e se ne accorge attraverso una prova sperimentale che lo avvicina al metodo scientifico moderno anche se la sua rimane un esperienza di tipo solo qualitativo. Che l'effetto di una forza sia una velocità lo si deduce anche dal fatto che enuncia che la velocità di caduta di un grave è proporzionale alla sua pesantezza. Inoltre conosceva che la velocità di caduta aumentava e lo spiegava dicendo che ogni corpo mentre si avvicina al suo luogo naturale si muove più velocemente. Queste considerazioni errate sono frutto però di una scienza meno approfondita, di conoscenze ridotte e di metodi di indagine inferiore e va considerata positivamente se si pensa a quanto è passato prima che fosse messa in discussione. Gli allievi di Aristotele usarono spesso argomentazioni strane e errate non conformi agli insegnamenti per mantenere la validità di queste teorie. E lo stesso Galileo pur dimostrando questi errori accusa questi di non seguire il maestro.

Il primo principio della dinamica

Il primo principio della dinamica stabilisce il comportamento di corpi sui quali o non agisce alcuna forza  o agiscono forze in equilibrio. Galileo osservo che una sferetta che rotola lungo un piano inclinato raggiunge la stessa altezza di partenza su un piano inclinato opposto tenendo conto di lievi differenze dovute all'attrito. Durante la discesa il moto è accelerato mentre durante la salita è decelerato. L'altezza che raggiungeva era uguale anche su piani inclinati diversamente. Se l'inclinazione diventa 0 la decelerazione si annulla e si muoverebbe di velocità costante infatti il peso è equilibrato dalla reazione vincolare del piano ma allora la velocità non è effetto di una forza costante come pensava Aristotele. Questo esperimento è ideale perché non si può operare in assenza assoluta di attriti come supposto ma questi intervengono frenando la sferetta e la sua velocità costante. Il primo principio della dinamica è detto anche principio di inerzia e sostiene che ogni corpo non soggetto a forze persevera nel suo stato di quiete o di movimento costante. Questo fu pronunciato in forma estesa da Newton. Osserviamo che il primo principio introduce anche il concetto di inerzia dei corpi come proprietà per cui ogni corpo tende a conservare il suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme perciò per produrre un'accelerazione necessaria una forza tanto maggiore quanto più lo è l'inerzia del corpo.

Sistemi inerziali

La quiete e il moto sono sempre relativi a un sistema di riferimento. Il primo principio è valido in sistemi  S o altri sistemi in movimento rettilineo uniforme rispetto S mentre non vale se sono in moto accelerato. Tutti i sistemi in cui vale il primo principio si dicono sistemi inerziali. Nell'esperienza è tale un sistema di riferimento stellare con origine in una stella e con gli assi orientati verso le stelle fisse. Sono naturalmente inerziali tutti i sistemi in moto rettilineo uniforme rispetto a un sistema di riferimento stellare. La Terra ha un movimento di rivoluzione intorno al sole e di rotazione intorno al proprio asse ma essendo moti circolari la terra si muove di moto accelerato rispetto alle stelle quindi non è inerziale. Ma la causa della non inerzialiltà della Terra è dovuta al moto accelerato rispetto alle stelle determinato da una velocità angolare piccola esso è approssimativamente inerziale.

Il secondo principio della dinamica

Il comportamento di un corpo sul quale agisce una forza non equilibrata, cioè o una sola forza o forze con risultante nulla è studiato in questo principio. Dall'esperienza si è trovato che la forza agente su un corpo produce una accelerazione direttamente proporzionale alla forza stessa. Detta m la costante di proporzionalità F/a=m. Pertanto F=ma e il grafico dell'accelerazione in funzione della forza è una retta. Tutto ciò trascurando l'attrito. Se F=0 allora a=0 e quindi si ha o un moto rettilineo uniforme o la quiete, come dice il primo principio della dinamica. Anche quando l'attrito non è trascurabile resta la proporzione. L'esperienza dice poi che ad eguale forza, l'accelerazione varia da corpo a corpo e in particolare varia rispetto al peso. Il coefficiente m aumenta con il diminuire dell'accelerazione e quindi m è detta massa inerziale, ed esprime una misura di inerzia dei corpi, della resistenza che essi presentano ad assumere una accelerazione sotto l'azione di una forza. L'accelerazione ha poi stesso verso come vettore della forza. Per il secondo principio: ogni forza, misurata staticamente, applicata ad un corpo libero di muoversi, determina in questo accelerazione, nella direzione e nel verso della forza, direttamente proporzionale all'intensità della forza stessa. L'azione di una forza non è influenzata dallo stato del soggetto prima che venga usata: l'accelerazione di un corpo in quiete è uguale a quella di un corpo in moto se sono soggetti a uguali forze. Essa, come la prima, è valida solo in un sistema inerziale e in più in essa è contenuta la prima. Essa è anche detta legge di moto, perché una volta nota la forza agente si ricava accelerazione, la velocità, la traiettoria. In più è valida solo per velocità piccole rispetto a quella della luce. La formula della relatività infatti dice che m=m0/rad (1-(v/c)2) con m0 massa a riposo, v la velocità, c la velocità della luce nel vuoto. Per i fenomeni comuni v è trascurabile e quindi il denominatore è circa 1 e m=m0.

Le masse inerziali sono additive, se si sommano danno un altro rapporto. Quindi due corpi hanno stessa massa inerziale se sotto l'azione della stessa forza hanno stessa accelerazione. Quindi le masse inerziali sono inversamente proporzionali alle accelerazioni m1/m2=a1/a2. Nel SI la massa è una grandezza fondamentale e il suo campione è il platino-iridio chiamato kilogrammo-massa. Nel C.G.S. è il grammo, la millesima parte del kg. La massa misurata con la bilancia, la massa gravitazionale è in relazione con quella inerziale. Quindi la forza, misurata in Newton, è uguale a 1kg.m/s2. Il dine è uguale a 1g.cm/s2 allora 1N=10alla 5 dine.

Massa e Peso

La forza agente su un corpo m è il suo peso P e nella caduta al suolo l'accelerazione è g; allora P=mg. Il peso è quindi direttamente proporzionale alla massa. A 45° latitudine e al livello del mare il peso di un corpo con massa  1kg è chiamato kgp (kilopeso). La massa però è intrinseca in ogni cambio perché non ha fattori che la influenzano.

Terzo Principio

A ogni azione corrisponde una reazione contraria