Ilforza nettaè la somma vettoriale di tutte le forze agenti su un corpo. (Ricorda che una forza è una spinta o una trazione.) L'unità SI per la forza è il newton (N), dove 1 N = 1 kgm/s2.
\bold{F_{rete}} = \bold{F_1 + F_2 + F_3 + ...}
La prima legge di Newton afferma che un oggetto che subisce un movimento uniforme, ovvero è fermo o si muove con velocità costante, continuerà a farlo a meno che non venga azionato da una forza netta diversa da zero. La seconda legge di Newton ci dice esplicitamente come cambierà il moto come risultato di questa forza netta:
\bold{F_{rete}} = m\bold{a}
L'accelerazione – variazione di velocità nel tempo – è direttamente proporzionale alla forza netta. Nota anche che sia l'accelerazione che la forza netta sono quantità vettoriali che puntano nella stessa direzione.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
Una forza netta pari a zero NON significa necessariamente che l'oggetto sia fermo! Una forza netta pari a zero NON significa inoltre che non ci sono forze che agiscono su un oggetto poiché è possibile che più forze agiscano in modo tale da annullarsi a vicenda.
Diagrammi a corpo libero
Il primo passo per trovare la forza netta su qualsiasi oggetto è disegnare adiagramma di corpo libero(FBD) che mostra tutte le forze che agiscono su quell'oggetto. Questo viene fatto rappresentando ogni vettore di forza come una freccia che ha origine dal centro dell'oggetto e punta nella direzione in cui agisce la forza.
Ad esempio, supponiamo che un libro sia seduto su un tavolo. Le forze che agiscono su di esso sarebbero la forza di gravità sul libro, che agisce verso il basso, e la forza normale del tavolo sul libro, che agisce verso l'alto. Il diagramma a corpo libero di questo scenario consisterebbe in due frecce di uguale lunghezza provenienti dal centro del libro, una rivolta verso l'alto e l'altra rivolta verso il basso.
Supponiamo che lo stesso libro venga spinto verso destra con una forza di 5 N mentre una forza di attrito di 3 N si oppone al movimento. Ora il diagramma del corpo libero includerebbe una freccia 5-N a destra e una freccia 3-N a sinistra.
Infine, supponiamo che lo stesso libro fosse su un pendio, scivolando verso il basso. In questo scenario, le tre forze sono la forza gravitazionale sul libro, che punta verso il basso; la forza normale sul libro, che punta perpendicolarmente alla superficie; e la forza di attrito, che punta in senso opposto alla direzione del moto.
Calcolo della forza netta
Una volta disegnato il diagramma di corpo libero, puoi usare l'addizione vettoriale per trovare la forza netta che agisce sull'oggetto. Prenderemo in considerazione tre casi mentre esploriamo questa idea:
Caso 1: Tutte le forze giacciono sulla stessa linea.
Se tutte le forze giacciono sulla stessa linea (punta solo a sinistra e a destra, o solo su e giù, per esempio), determinare la forza netta è come semplice come aggiungere le grandezze delle forze nella direzione positiva e sottrarre le grandezze delle forze nella direzione negativa direzione. (Se due forze sono uguali e opposte, come nel caso del libro appoggiato sul tavolo, la forza netta = 0)
Esempio:Consideriamo una palla di 1 kg che cade per gravità, subendo una forza di resistenza dell'aria di 5 N. C'è una forza verso il basso su di esso a causa della gravità di 1 kg × 9,8 m/s2 = 9,8 N e una forza verso l'alto di 5 N. Se usiamo la convenzione che l'alto è positivo, la forza netta è 5 N - 9,8 N = -4,8 N, indicando una forza netta di 4,8 N nella direzione verso il basso.
Caso 2: tutte le forze giacciono su assi perpendicolari e si sommano a 0 lungo un asse.
In questo caso, a causa delle forze che si sommano a 0 in una direzione, dobbiamo solo concentrarci sulla direzione perpendicolare quando determiniamo la forza netta. (Sebbene sapere che le forze nella prima direzione si sommano a 0 a volte può darci informazioni sul about forze nella direzione perpendicolare, come quando si determinano le forze di attrito in termini di forza normale grandezza.)
Esempio:Una macchinina da 0,25 kg viene spinta sul pavimento con una forza di 3 N che agisce verso destra. Una forza di attrito di 2 N agisce per opporsi a questo movimento. Nota che la gravità agisce anche verso il basso su questa vettura con una forza di 0,25 kg × 9,8 m/s2= 2,45 N, e una forza normale agisce verso l'alto, anche con 2,45 N.(Come facciamo a saperlo? Poiché non vi è alcun cambiamento nel movimento in direzione verticale quando l'auto viene spinta sul pavimento, la forza netta in direzione verticale deve essere 0.)Questo semplifica tutto nel caso unidimensionale perché le uniche forze che non si annullano sono tutte lungo una direzione. La forza netta sull'auto è quindi 3 N - 2 N = 1 N a destra.
Caso 3: tutte le forze non sono confinate a una linea e non giacciono su assi perpendicolari.
Se sappiamo in quale direzione sarà l'accelerazione, sceglieremo un sistema di coordinate in cui quella direzione giace sull'asse x positivo o sull'asse y positivo. Da lì, rompiamo ogni vettore di forza nelle componenti x e y. Poiché il moto in una direzione è costante, la somma delle forze in quella direzione deve essere 0. Le forze nell'altra direzione sono quindi le uniche contribuenti alla forza netta e questo caso si è ridotto al Caso 2.
Se non sappiamo in quale direzione sarà l'accelerazione, possiamo scegliere qualsiasi coordinata cartesiana sistema, anche se di solito è più conveniente sceglierne uno in cui una o più forze giacciono su un asse. Rompi ogni vettore di forza nelle componenti x e y. Determinare la forza netta inXdirezione e la forza netta insìdirezione separatamente. Il risultato fornisce le coordinate x e y della forza netta.
Esempio:Un'auto da 0,25 kg rotola senza attrito su un'inclinazione di 30 gradi a causa della gravità.
Useremo un sistema di coordinate allineato con la rampa come mostrato. Il diagramma di corpo libero è costituito dalla gravità che agisce verso il basso e dalla forza normale che agisce perpendicolarmente alla superficie.
Dobbiamo suddividere la forza gravitazionale nelle componenti x e y, che dà:
F_{gx} = F_g\sin(\theta)\\ F_{gy} = F_g\cos(\theta)
Dal momento che il movimento nelsìla direzione è costante, sappiamo che la forza netta insìla direzione deve essere 0:
F_N - F_{gy} = 0
(Nota: questa equazione ci permette di determinare la grandezza della forza normale.)
Nella direzione x, l'unica forza èFgx, quindi:
F_{net} = F_{gx} = F_g\sin(\theta) = mg\sin(\theta) = 0,25\times9,8\times\sin (30) = 1,23 \text{ N}
Come trovare l'accelerazione dalla forza netta
Una volta determinato il vettore di forza netto, trovare l'accelerazione di un oggetto è una semplice applicazione della seconda legge di Newton.
\bold{F_{rete}} = m\bold{a}\implies\bold{a} = \frac{\bold{F_{rete}}}{m}
Nell'esempio precedente dell'auto da 0,25 kg che rotola lungo la rampa, la forza netta era di 1,23 N lungo la rampa, quindi l'accelerazione sarebbe:
\bold{a} = \frac{\bold{F_{net}}}{m} = \frac{1.23}{0.25} = 4.92\text{ m/s}^2\text{ giù per la rampa}