Le forze: definizione, caratteristiche e forza risultante

DiAlfredo Di Fiore
Hero del capitolo "Le forze" con esempi di gravità, spinta, urto, trazione e interazione magnetica collegati dal simbolo MEGi.
Le forze sono la causa di ogni cambiamento del moto. La Hero rappresenta gravità, spinta, urto, trazione e magnetismo, unificati dal simbolo MEGi.

Ogni giorno osserviamo corpi che si muovono, rallentano, accelerano oppure cambiano direzione.
Qual è la causa di questi cambiamenti?
La risposta è una delle idee fondamentali della fisica: una forza.

Le forze sono responsabili delle variazioni dello stato di moto dei corpi e possono anche deformarli oppure mantenerli in equilibrio.
Prima di studiare le leggi della dinamica e i princìpi di Newton è quindi necessario comprendere che cos’è una forza, come si rappresenta e come si misura.

Idea centrale dell’articolo
Una forza è un’interazione capace di modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo oppure di deformarlo. Essendo una grandezza vettoriale, è caratterizzata da intensità, direzione e verso. Più forze possono essere sostituite dalla loro forza risultante e la loro intensità si misura mediante il dinamometro.

Che cos’è una forza?

Una persona spinge un carrello applicando una forza. La freccia blu rappresenta il vettore forza che mette in movimento il corpo.
Una forza può modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo. Nell’immagine una persona applica una forza a un carrello, che inizia a muoversi nella direzione della spinta.

Osservando situazioni quotidiane come la spinta esercitata su un carrello, il lancio di una palla o il sostegno di un corpo, si nota che una forza può mettere in movimento un oggetto, rallentarlo, modificarne la direzione oppure mantenerlo in equilibrio.

Da queste osservazioni possiamo dare una prima definizione di forza: una forza è un’interazione capace di modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo oppure di deformarlo.

Una forza non è descritta soltanto dalla sua intensità. Per rappresentarla completamente occorre conoscere anche il punto di applicazione, la direzione e il verso. Per questo motivo le forze sono grandezze vettoriali.

Una persona applica una forza a una cassa. Il vettore forza evidenzia il punto di applicazione, la direzione, il verso e l'intensità della forza.
Una forza è una grandezza vettoriale: è definita dal punto di applicazione, dalla direzione, dal verso e dall’intensità. Queste caratteristiche determinano completamente il suo effetto sul corpo.

Se a un corpo, inizialmente in stato di quiete, viene applicata una forza F, esso si mette in movimento nella direzione e nel verso della stessa; se invece si applicano al corpo due forze uguali e contrarie, la forza risultante è nulla e non si ha moto.

Quando due forze F1 e F2 agiscono contemporaneamente sullo stesso corpo, il loro effetto complessivo è descritto dalla forza risultante, che determina la direzione dell’accelerazione del corpo.

L’analisi di questi esempi porta a concludere che varie forze, applicate simultaneamente su un corpo, possono essere sostituite dalla loro risultante vettoriale.

Come si combinano più forze?

Quando su uno stesso corpo agiscono contemporaneamente più forze, il loro effetto complessivo può essere rappresentato da un’unica forza chiamata forza risultante. Essa si ottiene mediante la somma vettoriale di tutte le forze applicate e produce lo stesso effetto sul corpo.

Due persone tirano una cassa con corde orientate in direzioni diverse. I vettori F₁ e F₂ sono applicati nello stesso punto e generano la forza risultante R.
Quando più forze agiscono contemporaneamente sullo stesso corpo, il loro effetto può essere sostituito da un’unica forza equivalente chiamata forza risultante.

Come si misura una forza?

Per misurare l’intensità di una forza, si ricorre al dinamometro, uno strumento semplicissimo, costituito essenzialmente da una molla graduata. È noto infatti che con l’allungamento di una molla si sviluppa una forza tanto maggiore quanto maggiore è la sua deformazione.

Quando la forza della molla è uguale a quella applicata, la somma di queste due forze è nulla, e la molla rimane in equilibrio. Un dinamometro si ottiene graduando la molla e facendo corrispondere una particolare forza ad ogni allungamento.

Un dinamometro a molla misura una forza di 50 N applicata a un corpo sospeso. La freccia blu rappresenta la forza peso diretta verso il basso.
Il dinamometro sfrutta l’allungamento di una molla per misurare l’intensità di una forza. Nel Sistema Internazionale la forza si misura in newton (N).

Le forze possono anche far ruotare un corpo

Il momento di una forza

Una forza non produce soltanto uno spostamento. Se viene applicata a una certa distanza da un asse o da un punto di rotazione, può far ruotare un corpo. Questo effetto prende il nome di momento della forza ed è fondamentale nello studio della dinamica dei corpi rigidi.

Si dice momento (M) di una forza rispetto a un punto una grandezza vettoriale perpendicolare al piano determinato dalla forza e dal punto; la direzione è data dal verso di avanzamento di una vite destrorsa che gira nel senso indicato dalla forza; il modulo è dato dal prodotto del modulo della forza per la distanza del punto dalla retta di azione della forza.

\(M = F \cdot r\)

dove:

  • M è il momento della forza;
  • F è l’intensità della forza;
  • r è il braccio della forza, cioè la distanza tra il punto di rotazione e la retta d’azione della forza.
Una mano applica una forza su una chiave inglese per ruotare un bullone. La freccia blu indica la forza applicata e la freccia curva evidenzia la rotazione prodotta.
Una forza applicata a una certa distanza dall’asse di rotazione produce un momento che tende a far ruotare il corpo.

Il concetto di “momento” acquista particolare importanza nel caso di sistemi che si muovano attorno a un punto o a un asse. Se, ad esempio, si applica una forza alla maniglia di una porta, si provoca la rotazione di questa intorno al suo asse. Se la stessa forza viene applicata invece in modo che il vettore forza attraversi l’asse, non si può avere la rotazione. In questo caso infatti r = 0.

Coppia di forze

Quando su un corpo agiscono due forze uguali e opposte applicate lungo la stessa retta d’azione, i loro effetti si annullano e il corpo rimane in equilibrio, purché non sia deformabile.

Se invece le due forze hanno la stessa intensità e verso opposto ma sono applicate su rette d’azione diverse, non producono una traslazione, bensì una rotazione. Questo sistema prende il nome di coppia di forze.

L’effetto della coppia dipende dalla distanza tra le due rette d’azione, detta braccio della coppia: maggiore è questa distanza, maggiore è il momento che tende a far ruotare il corpo.

Si può dimostrare che l’effetto non cambia, sia che si applichi a un corpo un sistema di forze qualsiasi, sia che ad esso si applichi una forza e una coppia di forze. La forza risulta uguale a quella che si ottiene con la somma vettoriale di tutte le forze.

Supposto che la detta forza sia applicata a un punto determinato, la coppia di forze avrà un momento uguale alla somma vettoriale dei momenti di tutte le forze rispetto al punto prescelto.

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