La parola vigore appare praticamente in ogni aspetto immaginabile della vita quotidiana, dallo sport al clima ai conflitti militari. Ma fondamentalmente, la forza è un concetto radicato nella fisica, dove ha un significato molto specifico e critico. L'unità di forza standard è il newton (N), pari a kg ⋅ m/s2.
La forza è una delle due quantità fisiche che influenzano il movimento di un oggetto, l'altra è la massa. La descrizione del moto degli oggetti nello spazio si chiama cinematica, che tiene conto di posizione, velocità e accelerazione; includere forza e massa nello studio del moto introduce il concetto di dinamica.
Le leggi del moto di Newton
Prima di conoscere le forze specifiche e come eseguire calcoli che coinvolgono questa quantità, è utile rivedere le tre leggi fondamentali del movimento concepite da Isaac Newton:
1. Ogni oggetto in uno stato di movimento costante (incluso il riposo) rimarrà in quello stato a meno che non agito da una forza esterna.
2. La forza è il prodotto della massa per l'accelerazione.
3. Per ogni forza esiste una forza opposta in direzione e uguale in grandezza.
Seconda legge di Newtonton è quello di maggior interesse se si vuole calcolare la forza, oppure determinare massa o accelerazione se si hanno informazioni sulla forza e su una delle altre due quantità. L'accelerazione è un cambiamento di velocità.
Esempi di forze
Puoi pensare a una forza come a qualcosa che spinge o tira; sebbene utile come metafora, tuttavia, questo non fa molto per far avanzare la tua comprensione del mondo reale. Invece, un elenco che mostra la gamma delle forze naturali è uno strumento migliore per familiarizzare con le forze che utilizzerai nei tuoi calcoli di fisica.
Peso è una forza misteriosa che agisce su tutti gli oggetti con massa e risulta dalla gravità, che sulla superficie terrestre ha un valore di 9,8 metri al secondo quadrato (9,8 m/s2). Tensione, elasticità, attrito e il cosiddetto forza normale sono forze che agiscono sui solidi; galleggiabilità, portanza, spinta e resistenza sono forze associate unicamente ai fluidi (liquidi e gas).
Il elettrostatico e magnetico le forze sono associate a particelle cariche. Inoltre, la natura include quattro forze fondamentali che danno origine a tutte le altre forze. Uno di questi è la gravità, che è di gran lunga la forza fondamentale più debole; gli altri sono elettromagnetismo e il forte e nucleare debole interazioni negli atomi
L'equazione della forza
La forma standard della formula della forza attraverso la fisica afferma che il forza esterna netta su un oggetto è il prodotto della sua massa e della sua accelerazione:
\textbf{F} = m\textbf{a}
Qui, forza e accelerazione sono quantità vettoriali vector, nel senso che hanno sia un valore (grandezza, rappresentato da un numero) sia una direzione nello spazio ad essi associata. La messa è un quantità scalare, il che significa che è descritto completamente in termini di grandezza.
Esempio di calcolo della forza
Un'auto compatta con una massa di 1.000 kg sta accelerando verso nord a 5 m/s2. Qual è la forza prodotta da questa accelerazione?
F = (1.000 kg)(5 m/s2) = 5.000 N.
L'auto alla fine raggiunge una velocità di 40 m/s (circa 90 miglia all'ora) e si stabilizza a questa velocità. Qual è la forza esterna sull'auto ora?
Questa è una specie di domanda trabocchetto. Mentre un'auto in corsa ha un sacco di slancio, se l'auto non sta vivendo un'accelerazione, entrambi i lati della forza l'equazione è zero, e non vi è alcuna forza esterna netta che agisce sul sistema, in questo caso costituita esclusivamente da auto. La quantità fisica di maggior interesse qui, quantità di moto, è il prodotto di massa e velocità v (confronta questo con l'equazione della forza).