UNITÀ 6 - Le forze, l’equilibrio, le leve

FLIPPED Classroom

Guarda su YouTube il video Una lattina che sale - Eniscuolachannel. Completa, sul tuo quaderno, l’elenco delle parole chiave che ricavi dal video (…, forza, forza di gravità, …). Ripeti l’esperimento e stupisci tutti in famiglia! (Ricorda di eseguire prima l’esperimento con il barattolo vuoto, che cosa accade?)

Compito di realtà

Siamo fatti di leve

Il movimento del nostro corpo è basato su leve: calciare un pallone, sollevare una mela, giocare a braccio di ferro. In queste leve le articolazioni rappresentano il fulcro e i muscoli la potenza. Illustra su un cartellone, con tue fotografie complete di didascalie che indichino fulcro e potenza, quali leve individui nel corpo umano. Sai spiegare perché è meglio non sfidare uno scimpanzé a braccio di ferro? (In uno scimpanzé sono presenti le stesse leve del corpo umano, sono però più vantaggiose.)

1 Le forze

Un pallone resta fermo, si dice in quiete, fino a quando non lo metti in movimento con un calcio. Il tuo piede ha “forzato” il pallone cambiando il suo stato: da quiete a moto ( 1 ). Se metti le mani o un piede sulla traiettoria di un pallone lanciato da un tuo compagno, ne ostacoli il movimento. Hai di nuovo “forzato” il pallone e, se lo fermi, cambi di nuovo il suo stato: da moto a quiete ( 2 ). Se metti un piede sul pallone e lo schiacci a terra, lo deformi. Anche in questo caso hai “forzato” il pallone, cambiandone la forma ( 3 ).

In termini fisici si dice che, in ognuno dei tre casi, hai applicato una forza, la tua forza muscolare. La forza è la causa fisica capace di cambiare lo stato di quiete o di moto di un corpo o di deformarlo. La forza non è visibile, per studiarla e descriverla occorre partire dagli effetti che essa provoca.

Come si può descrivere e rappresentare una forza?

Se devi descrivere la forza che hai applicato al pallone per metterlo in moto non basterà indicare quanto era “intensa” usando un numero seguito da un’unità di misura.

Sai infatti che due forze con la stessa intensità possono generare effetti molto diversi: pensa a che cosa accade se colpisci il pallone in punti diversi, spingendolo verso l’alto o orizzontalmente, verso destra o sinistra, in avanti o indietro…

Per descrivere in modo completo una forza devi conoscere le sue caratteristiche:

- l’intensità, che è la misura della forza e ti permette di stabilire tra più forze qual è la maggiore o la minore;

- il punto di applicazione, cioè il punto in cui la forza agisce;

- la direzione, cioè la retta lungo la quale la forza agisce (orizzontale, verticale, obliqua…);

- il verso, comunemente il “senso” di una direzione (destra, sinistra, alto, basso).

Mentre pensavi a come descrivere la forza applicata al solito pallone, ti sarà venuto in mente di rappresentarla con un disegno, più facile e immediato da capire. I fisici rappresentano le forze usando un modello, chiamato vettore, che è un segmento orientato; ogni parte del vettore indica una delle caratteristiche della forza:

Le forze vengono indicate con una lettera in stampatello maiuscolo, sormontata da una freccia, per esempio F → . Le grandezze fisiche che, come le forze, sono caratterizzate da punto di applicazione, intensità, direzione e verso, e si possono rappresentare con un vettore, sono dette vettoriali. Si differenziano dalle grandezze che sono definite da una sola misura numerica, come la massa o il volume, che sono dette scalari. L’unica caratteristica misurabile della forza è l’intensità (la si può indicare con la stessa lettera usata per la forza, ma senza la freccia: F).

Come si misura l’intensità di una forza?

Lo strumento usato per misurare l’intensità di una forza è il dinamometro (dal greco dynamis = “forza”, métron = “misura”), che sfrutta la proprietà che ha una molla di deformarsi sotto l’azione del peso di un oggetto. Il peso, infatti, è una forza. Osserva nella fotografia un dinamometro in funzione e un suo ingrandimento.

Questo tipo di dinamometro è usato in laboratorio, ma ne esistono di altri tipi, adoperati per esempio per pesare i bagagli; è costituito da una molla di acciaio contenuta in un tubo di plastica trasparente. Un’estremità è collegata a un anello che esce dalla parte superiore del tubo e serve per sorreggere o appendere lo strumento; spesso alla sommità della molla c’è una vite che serve per regolare con precisione l’indicatore dello 0. L’altra estremità della molla termina con un gancio a cui si applica la forza della quale si vuole misurare l’intensità. Agganciando un peso, la molla si allunga e l’indicatore segna il valore dell’intensità su una scala graduata. Se appendi al dinamometro un certo peso e poi pesi di massa doppia, tripla, quadrupla del primo, questi producono allungamenti della molla doppi, tripli, quadrupli del primo. Maggiore è la deformazione della molla, maggiore è la forza applicata. La deformazione della molla è, entro certi limiti, direttamente proporzionale all’intensità della forza che la causa.

Per poter fare delle misurazioni significative, il dinamometro deve essere tarato secondo una certa unità di misura: comunemente è usato il kilogrammo peso (kgp), ma l’unità di misura del Sistema Internazionale è il newton (N), che corrisponde a circa un ettogrammo.

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Impara a usare il dinamometro

1. Regolare lo zero

Svita il dado, poi fai girare la vite per portare l’indice sullo 0.

2. Preparare la pesata

Richiudi il dado.

3. Pesare

Appendi l’oggetto da pesare e leggi il valore del peso tenendo gli g occhi all’altezza del cursore.

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Diversi tipi di forze

Oltre alla forza muscolare, esistono molti altri tipi di forze; alcune le avrai già sentite nominare: la forza di gravità, la forza elastica, la forza elettrica, la forza magnetica, la forza nucleare…

La forza di gravità

È la forza che esiste tra due corpi qualsiasi a causa della loro massa. È per la forza di gravità che i pianeti restano in orbita intorno al Sole, gli oggetti cadono al suolo, ogni corpo ha un peso, la Terra ha un’atmosfera, è più facile percorrere una strada in discesa… L’intensità della forza di gravità dipende dalla massa dei corpi e dalla loro distanza: maggiore è la massa, maggiore è la forza di gravità esercitata dal corpo, maggiore è la distanza tra i corpi, minore sarà la forza di gravità. La forza di gravità terrestre è diretta verso il centro della Terra e agisce perpendicolarmente alla superficie terrestre.

La forza elastica

È la forza che fa deformare i corpi a cui è applicata. Il corpo può riprendere la sua forma originaria, dopo l’azione della forza, se è elastico; se invece il corpo è plastico, mantiene la sua deformazione in modo permanente.

La forza elettrica

È la forza che esiste tra i corpi dotati di cariche elettriche. Se i corpi hanno uguale carica elettrica, si respingono, se hanno carica elettrica diversa, si attraggono.

La forza magnetica

È la forza generata da corpi magnetici, coma le calamite, dotate di poli magnetici. I magneti esercitano forze capaci di attrarre oggetti di ferro.

La forza nucleare

È la forza attrattiva che mantiene insieme le particelle del nucleo atomico nonostante la loro tendenza a respingersi. I protoni infatti sono particelle con carica elettrica positiva e tenderebbero ad allontanarsi l’uno dall’altro e a spezzare il nucleo.