Cosa sono le forze? (Fisica)

Anche se probabilmente hai familiarità con la parola "forza" e l'hai sentita usata nelle conversazioni di tutti i giorni ("Non avevo scelta - mi ha costretto a farlo!"), conosci la definizione fisica di forza?

In questo articolo imparerai non solo cos'è realmente una forza, ma anche da dove viene l'idea e come viene utilizzata in fisica.

Per entrare nella giusta mentalità fisica per comprendere le forze, ricorda ciò che sai movimento. Puoi descrivere la posizione di un oggetto (posizione nello spazio) e puoi descrivere come quella posizione cambia nel tempo; il tasso di cambio di posizione per unità di tempo è ilvelocità. Puoi anche descrivere come cambia la velocità: viene chiamata la velocità di variazione della velocità per unità di tempoaccelerazione​.

Queste grandezze fisiche - posizione, velocità e accelerazione - sono tutte quantità vettoriali vector, nel senso che hanno magnitudine e direzione ad essi associati.

Se un oggetto è a riposo, come una roccia seduta su un marciapiede, probabilmente sei abbastanza sicuro che rimarrà lì finché qualcosa non lo farà muovere. O qualcuno che cammina lungo il marciapiede lo prende a calci, o forse la roccia è abbastanza leggera da essere spinta da un forte vento. Quando ciò accade, il suo movimento cambia. La quantità fisica che provoca questo cambiamento, come impareremo, è una forza.

Probabilmente hai anche la sensazione che alcuni oggetti siano più difficili da spostare rispetto ad altri. Immagina un piccolo sassolino rispetto a un masso pesante. Avresti bisogno di calciare il masso molto più forte per farlo muovere. Allo stesso modo, se due oggetti, uno leggero e uno pesante, si stavano già muovendo, è molto più difficile far fermare quello più pesante.

Questa resistenza di un oggetto a qualsiasi cambiamento nel suo movimento è chiamata sua inerzia. Quanta forza è necessaria per attuare un certo cambiamento si riferirà alla massa, che è una misura dell'inerzia.

L'idea di una forza è in circolazione da molto tempo, ma non è stata ben compresa in gran parte a causa di interpretazioni errate dell'attrito.

Aristotele ha proposto che tutti gli oggetti hanno uno stato naturale in cui vogliono riposare e che lo faranno a meno che non agisca una forza. Ha usato questa nozione per spiegare perché gli oggetti cadono sulla terra o rallentano fino a fermarsi dopo essere stati spinti.

Galileo, tuttavia, confutò questa idea e spiegò l'esistenza di una forza di arresto chiamata attrito. Ha determinato che gli oggetti avrebbero continuato a muoversi in percorsi rettilinei se non ci fosse stato attrito a rallentarli.

Sir Isaac Newton diede una formalizzazione più ampia alle osservazioni di Galileo con il suo famoso tre leggi del moto. Era in grado di descrivere cosa fanno le forze, come agiscono e persino attribuire numeri con unità al concetto.

La prima legge del moto di Newton, talvolta chiamata legge dell'inerzia, afferma che un oggetto a riposo rimane in uno stato di quiete a meno che su di esso non agisca una forza sbilanciata. Questa parte è piuttosto intuitiva quando ripensi a prendere a calci il sasso sul marciapiede. Inoltre, questa legge afferma che qualsiasi oggetto sottoposto a movimento a velocità costante (movimento a velocità costante in un percorso rettilineo) continuerà a farlo a meno che non venga azionato da una forza esterna netta.

Quella seconda parte della prima legge è meno intuitiva perché nelle nostre interazioni quotidiane, gli oggetti non tendono a continuare a muoversi per sempre. Ma questo perché subiscono l'azione di una forza resistiva chiamata attrito.

La seconda legge del moto di Newton afferma che la forza netta su un oggetto (che è la somma vettoriale di tutte le forze agenti) è uguale al prodotto delle forze dell'oggetto massa e accelerazione. In altre parole:

La seconda legge del moto di Newton è stata in grado di spiegare perché devi spingere più forte su oggetti pesanti di quanto non si faccia su oggetti più leggeri per fargli cambiare il loro movimento. Inoltre, formalmente metteva in relazione la forza con la quantità fisica di accelerazione, che è il cambiamento nel movimento dell'oggetto.

La terza legge del moto di Newton spiega ulteriormente come le forze si accoppiano. Afferma che se l'oggetto A applica una forza all'oggetto B, allora l'oggetto B applica una forza all'oggetto A che è uguale in grandezza e nella direzione opposta della forza sull'oggetto B.

La terza legge di Newton spiega perché le pistole rinculano quando vengono colpite e perché, se stai in piedi su uno skateboard e spingi contro un muro, finisci per rotolare all'indietro.

Una forza può essere pensata come una spinta o una trazione. Se solo una singola forza agisce su un oggetto, quella singola forza farà cambiare il movimento dell'oggetto in proporzione inversa alla sua massa.

La forza è una quantità vettoriale, il che significa che ha grandezza e direzione. La direzione di una forza netta è sempre la stessa della direzione dell'accelerazione o del cambiamento di movimento (che può essere opposto alla direzione del movimento in tali situazioni in cui un oggetto sta rallentando giù.)

L'unità SI della forza è il newton dove 1 N = 1 kgm/s². L'unità CGS è la dyne dove 1 dyne = 1gcm/s².

Sai già che puoi esercitare tu stesso una forza su un oggetto spingendolo o tirandolo. Questa viene definita forza di contatto perché richiede il contatto. Ma ci sono anche molti altri tipi di forze.

Un elenco di alcune forze comuni che incontri quando studi fisica include quanto segue:

• ​Forza gravitazionale:Il forza di gravità su un oggetto può essere osservato durante il movimento di caduta libera, in cui un oggetto accelera verso il suolo. Ma la forza gravitazionale è anche ciò che mantiene i pianeti in orbita e ciò che ti impedisce di volare nello spazio.
• ​Forza normale:Questa è una forza di supporto che agisce perpendicolarmente a una superficie ed è ciò che impedisce agli oggetti di cadere attraverso il pavimento o il piano di un tavolo.
• ​Forza elettromagnetica:Questo si riferisce collettivamente alle forze magnetiche e alle forze elettrostatiche. Questi tipi di forze sono il risultato di una carica o di una carica in movimento. È il motivo per cui gli elettroni si respingono e i magneti si uniscono.
• ​Forze di attrito:Il forza di attrito è una forza che si oppone al moto di un oggetto. È il motivo per cui è più difficile far scorrere un libro sul tavolo piuttosto che far scorrere un libro su una lastra di ghiaccio. La forza di attrito varia a seconda delle superfici che sono in contatto tra loro.
• ​Resistenza dell'aria:Questa forza è simile all'attrito. Risulta dall'aria stessa che si oppone al movimento degli oggetti che cadono attraverso di essa. Se un oggetto cade abbastanza a lungo, la forza della resistenza dell'aria gli farà raggiungere la sua velocità terminale.
• ​Forza di tensione:Questo è un tipo di forza che viene trasferita lungo una corda, un filo o qualcosa di simile.
• ​Altre forze fondamentali:Ci sono quattro forze fondamentali della natura. Due sono la gravità e l'elettromagnetismo, che sono già stati elencati, e gli altri due sono la forza nucleare debole e la forza nucleare forte. Questi ultimi due in genere influenzano solo cose su scala subatomica, motivo per cui potresti non averne mai sentito parlare.

La seconda legge di Newton menziona a forza netta. La forza netta su un oggetto è la somma vettoriale di tutte le forze che agiscono su un oggetto.

Ad esempio, puoi avere due persone che spingono su un blocco in direzioni opposte con forze uguali. Ma la forza netta finisce per essere 0, il che significa che il blocco non si muove perché queste due forze si annullano a vicenda.

I diagrammi a corpo libero sono schizzi che puoi disegnare indicando la grandezza e la direzione di ciascun vettore di forza su un oggetto con una freccia di lunghezza proporzionale che punta nella direzione della forza. Quando risolvi problemi di fisica che coinvolgono le forze, probabilmente disegnerai molti di questi diagrammi perché... aiuta a visualizzare quali forze stanno agendo e rende più chiaro come sommare le forze per ottenere la rete vigore.

Se non c'è forza netta su un oggetto, ciò significa, tramite la seconda legge di Newton, che l'accelerazione dell'oggetto è 0. In altre parole, l'oggetto deve avere una velocità costante.

• Nota che la velocità costante non è la stessa di 0 velocità. Ad esempio, un oggetto che si muove a una velocità costante di 2 m/s non ha necessariamente alcuna forza netta che agisce su di esso.

Potresti aver sentito parlare di una forza chiamata forza centripeta. Questo non è stato elencato con le altre forze nella sezione precedente perché in realtà è un tipo di forza netta. È la forza netta nella direzione radiale per qualsiasi oggetto sottoposto a movimento circolare.

Il moto circolare, anche a velocità costante, non è moto a velocità costante perché non mantiene un percorso rettilineo. Una certa combinazione di forze deve agire per provocare il movimento circolare. La forza centripeta è la forza netta radiale che provoca questo tipo di movimento.

• Non confondere la forza centripeta con la forza centrifuga. Quest'ultima è in realtà considerata una pseudo-forza. È la forza che sembra agire su un oggetto sottoposto a movimento circolare. Ad esempio, quando sei in un'auto che gira un angolo, potresti sentirti come se fossi schiacciato contro la fiancata dell'auto, ma quello che sta realmente accadendo è che una forza ti sta trascinando in una percorso curvo.

Certe forze sembrano agire misteriosamente senza contatto. Un esempio che conosci è la forza gravitazionale. Quando un oggetto viene lasciato cadere, la terra lo attira verso di sé senza nemmeno toccarlo.

Uno strumento matematico sviluppato dai fisici per descrivere questo fenomeno è la nozione di campo. (Sì, un "campo di forza" ma non del tipo che ti protegge dai siluri fotonici!)

Un campo gravitazionale è l'assegnazione, ad ogni punto dello spazio, di un vettore che ne indica la magnitudine relativa e direzione della forza gravitazionale in quella posizione indipendente da quale oggetto può sperimentare una forza in quella posizione Posizione. Il valore del campo gravitazionale in un dato punto sarebbe semplicemente la forza gravitazionale che sarebbe sentita da una massamin quella posizione, ma diviso perm​.

Questa nozione di campo di forza consente una spiegazione di queste forze "misteriose" che sembrano agire senza toccare nulla, descrivendo la forza come risultante da un oggetto che interagisce con il campo.

Proprio come i campi gravitazionali, puoi anche avere un campo elettrico o un campo magnetico che descrivono il forza relativa per unità di carica o (forza per unità di momento magnetico) che un oggetto sentirebbe in un particolare Posizione.