Senza dubbio hai sentito la parola "forza" usata in tutti i modi, la maggior parte dei quali mal definita ("campo di forza", "forza di un campo magnetico") o non correlato alla scienza fisica ("gioco di forza", "combattimento vigore.")
Una forza in fisica è tutto ciò che agisce per accelerare qualcosa con la massa. Esistono numerose equazioni che mettono in relazione la forza con altre quantità, come lavoro, pressione ed energia, ma la più elementare èF = ma, che afferma che una massamsperimenta un'accelerazioneunquando sottoposto a una forza nettaF, agendo in una direzione specificata con una grandezza specificata.
Poiché conoscere i valori specifici delle forze è essenziale nell'ingegneria e in altri settori in tutto il mondo, è facile ottenere strumenti per determinare con precisione la forza.
Unità di forza
L'unità SI (metrica) della forza è il newton (N), mentre le unità SI di massa e accelerazione sono chilogrammi (kg) e metri al secondo quadrato (m/s2). Quindi N è un'unità derivata e si traduce in kg m/s2.
Poiché qualsiasi campo gravitazionale tende ad accelerare tutte le masse alla sua portata, il risultato è ciò che gli umani chiamano peso in termini quotidiani. Quindi una bilancia domestica o di un centro benessere è una sorta di misuratore di forza, perché mentre èmostrala tua massa in chilogrammi (o il tuo peso equivalente in libbre) effettivamentele misureil tuo peso per effetto della gravità, sulla Terra pari a 9,81 m/s2.
Legge di Hooke
La maggior parte dei misuratori di forza che potresti incontrare sfrutta un principio chiamato legge di Hooke, dal nome di Robert Hooke, il cui lavoro nel 1600 abbracciava fisica, chimica, biologia e praticamente tutti gli altri campi di indagine durante questo periodo di rapida ricerca scientifica progresso.
La legge afferma che la forza richiesta per allungare un materiale elastico (come una molla) una data distanza è proporzionale alla distanza la molla è allungata dal suo punto di equilibrio:
Il segno negativo implica che la forzasi opponeil tratto, essendo uguale in grandezza ma esattamente opposto in distanza.
Applicazioni della legge di Hooke oltre al misuratore di forza
La legge di Hooke è stata applicata in ogni campo dell'ingegneria e delle costruzioni che si possa nominare o anche solo immaginare. Agli albori dell'orologeria, le molle erano essenziali per garantire un funzionamento preciso, poiché nel XVII e XVIII secolo il cronometraggio non era ancora una questione di sincronizzazione GPS.
La legge di Hooke è stata invocata nella realizzazione di manometri (manometri), apparecchiature nel mondo del acustica e sismicità e, con il progredire del 21° secolo, anche nelle applicazioni delle nanotecnologie. Ma la sua utilità in un semplice misuratore di forza è forse il modo più semplice per spiegarlo anche oggi.
Misuratore di forza: il misuratore di primavera
La legge di Hooke può essere applicata a una molla su una superficie orizzontale, in modo tale che la forza esercitata sull'oggetto dalla gravità sia bilanciata dalla forza verso l'alto della superficie (la forza normale). Se la forza richiesta per allungare la molla di 1,5 m è 300 N, puoi calcolareKnella legge di Hooke, ilcostante di primavera:
F=-kx\implica 300\testo{N}=k (1.5\testo{m})\implica k = 200\testo{N/m}
UNmisuratore di forzaè invece un costrutto verticale, e ha una molla calibrata in modo tale che una massa soggetta a La gravità terrestre sposterà la molla verso il basso dalla sua posizione di riposo (equilibrio) di un noto, fisso quantità. Quindi si sa che una massa di 10 kg ha un peso di (1 kg) (9,81 m/s2) = 98,1 N e il dinamometro può essere etichettato secondo questo principio.
Si noti che per allungare una molla o un qualsiasi oggetto elastico del doppio della distanza per cui è già stato allungato, è necessario applicare il doppio della forza e così via, come dettato dalla legge di Hooke. In realtà, nessun materiale è perfettamente elastico, e tutte le molle si guastano, sia per "usura" che per rotture traumatiche sotto sforzo o sforzo sufficienti.