La prima delle tre leggi del moto di Sir Isaac Newton, che costituiscono la base della meccanica classica, afferma che an oggetto a riposo o in uno stato di moto uniforme rimarrà tale indefinitamente in assenza di un esterno vigore. In altre parole, una forza è quella che provoca un cambiamento di velocità, o accelerazione. La quantità di accelerazione prodotta su un oggetto da una data forza è determinata dalla massa dell'oggetto.
Forza e velocità sono direzionali
Quando i fisici parlano della velocità di un oggetto, parlano non solo della velocità dell'oggetto, ma anche della direzione in cui si sta muovendo. Allo stesso modo, la forza ha una componente direzionale oltre che quantitativa: una forza direttamente opposta la velocità di un oggetto ha un effetto diverso sull'oggetto rispetto a una forza che agisce perpendicolarmente alla sua movimento. In termini matematici, forza, velocità e accelerazione - che è il tasso di variazione della velocità prodotti da una forza - sono quantità "vettoriali", che è un termine che implica la loro direzione componente.
Forze che agiscono su un aeroplano
Il modo più semplice per capire come una forza altera la velocità di un oggetto è immaginare che la forza agisca nella stessa direzione della velocità. Ad esempio, i motori a reazione di un aereo forniscono una forza che agisce nella direzione del movimento dell'aereo, dandogli un'accelerazione positiva e facendolo andare più veloce. L'attrito dell'aria, invece, si oppone direttamente al moto dell'aereo e lo decelera; se i motori smettono di funzionare, l'aereo cadrà dal cielo. Ma quando la forza del motore e la spinta verso l'alto della pressione dell'aria sulle ali aerodinamiche bilanciano la forza di attrito e altre forze di decelerazione, inclusa la gravità, l'aereo vola a velocità costante verso la sua destinazione.
La forza di gravità
L'attrazione gravitazionale che il sole esercita sulla Terra è un esempio di forza con un'importante componente direzionale. Poiché la forza gravitazionale agisce perpendicolarmente al moto della Terra, non cambia la velocità con cui viaggia il pianeta, ma cambia costantemente la direzione. Di conseguenza, la Terra si muove in un'orbita quasi circolare. La velocità della Terra può essere relativamente costante, ma la sua velocità cambia continuamente a causa della forza di gravità che la spinge sempre verso il sole. La stessa forza gravitazionale mantiene i satelliti in orbita attorno alla Terra.
Diagrammi a corpo libero
La relazione matematica tra la forza (F) esercitata su un oggetto e la sua accelerazione (a) è F = m•a, dove "m" è la massa dell'oggetto. L'unità di misura della forza nel sistema metrico è il newton, che prende il nome da Isaac Newton, il fisico inglese che ha formulato la relazione. Nel mondo reale, di solito ci sono diverse forze che agiscono su un corpo, ognuna con una componente direzionale. Queste forze possono essere di natura meccanica, gravitazionale, elettrica o magnetica. Per prevedere il movimento dell'oggetto, è spesso utile disegnare un diagramma a corpo libero, che è una rappresentazione grafica di queste forze che rappresenta la grandezza e la direzione di ciascuna.