5 Le forze e il moto

Tutte le volte che si ha un cambiamento nello stato di quiete o di moto o nella velocità di un corpo agisce una forza.
Tra la forza applicata a un corpo e il moto che essa provoca esistono dei precisi rapporti regolati da tre leggi intuite ed enunciate da Galileo e da Newton e confermate sperimentalmente nel diciannovesimo secolo, i tre princìpi della dinamica.
Il termine “dinamica” deriva dalla parola greca “dy´namis” che significa “forza”, e indica la parte della fisica che studia le cause del moto dei corpi.

5.1 Il primo principio: l’inerzia

Durante un viaggio in auto si possono osservare alcuni fenomeni dinamici:
- se la partenza è rapida e improvvisa, ci si sente schiacciare contro i sedili ( 12 );
- se si frena bruscamente o si urta un ostacolo si viene proiettati in avanti (13 ).


Nel primo caso è come se i corpi sull’auto tendessero a rimanere fermi anche se l’auto si mette in movimento, nel secondo è come se i corpi continuassero a muoversi mentre l’auto si ferma.

Qual è la causa dei fenomeni?
Per capire che cosa avviene, puoi sperimentare le due situazioni con due semplici esperimenti.
Se colpisci di lato con decisione la carta da gioco sulla quale hai posto una moneta, vedrai che mentre la carta si sposta, la moneta cade nel bicchiere ma non segue la carta nel suo moto. La carta si mette in moto sotto l’azione della forza esercitata con la matita dalla tua mano, mentre sulla moneta non viene esercitata nessuna forza, tranne quella di gravità, che la fa cadere nel bicchiere ( 14 ).
Se spingi la scatola in avanti, sino a urtare il libro, la scatola si ferma quando urta il libro, mentre la moneta prosegue nel moto perché su di essa agisce solo la forza della spinta e non quella opposta dal libro (15 ).

Quello che hai sperimentato con la moneta è un fenomeno simile a ciò che accade ai passeggeri dell’auto: i corpi tendono a conservare il proprio stato di quiete (moneta nel bicchiere e auto in partenza) o di moto (moneta sulla scatola e auto in frenata); questa proprietà viene definita inerzia.

Il primo principio della dinamica, o principio di inerzia, afferma che:
Un corpo tende a conservare il proprio stato di quiete o di moto rettilineo uniforme fino a quando non interviene una forza capace di cambiare tale stato. 

Il primo principio della dinamica è utile anche per capire perché bisogna usare le cinture di sicurezza in auto: in caso di incidente limitano i danni alle persone trattenendole contro i sedili. Non è facile osservare l’inerzia di un moto perché qualunque corpo in movimento sulla Terra prima o poi si ferma. In effetti un corpo si muove sempre a contatto di un altro: striscia o rotola su una superficie, si muove nell’aria o nell’acqua… in tutti i casi si genera una forza che si oppone al movimento: l’attrito.

Quali sono le caratteristiche della forza d’attrito?
Nelle fotografie sono illustrate tre situazioni.


Durante una partita di curling, i due giocatori muniti di “scopetta” precedono il “peso” in movimento per lisciare o grattare il ghiaccio in modo da rendere la sua superficie più levigata o più ruvida: più è liscia la superficie di contatto, minore è l’attrito (16 ).
Per spostare uno scatolone di volume e peso maggiore, occorre più forza che a spostarne uno di volume e peso minore: maggiore è il peso del corpo, maggiore è l’attrito (17 ). Un piano dotato di ruote messo sotto al “tappetone” della palestra, rende meno faticoso lo spostamento perché diminuisce la superficie di contatto tra pavimento e tappeto: minore è la superficie di contatto, minore è l’attrito (18 ).

La forza d’attrito agisce nella stessa direzione in cui avviene il movimento, ma in verso contrario e la sua intensità dipende dal tipo di superficie su cui il corpo si muove, dall’estensione della superficie di contatto e dal peso del corpo.

Per ridurre l’intensità dell’attrito si usano i lubrificanti, che rendono scorrevoli le superfici a contatto o si cerca di ridurre tali superfici, con l’uso di ruote di varia grandezza e di cuscinetti a sfera. In quest’ultimo caso si trasforma l’attrito radente di un corpo che striscia o scivola su una superficie, in attrito volvente di un corpo che rotola. Per diminuire l’attrito si cerca di ridurre anche la resistenza del mezzo in cui avviene il movimento costruendo automobili, navi, aerei con particolari forme affusolate dette aereodinamiche, se il mezzo si muove nell’aria o idrodinamiche se si muove nell’acqua. Peraltro l’attrito è indispensabile per camminare, correre, sostenere il paracadute, frenare un’automobile…

5.2 Il secondo principio: forza, massa e accelerazione

Quando ti muovi trainando una valigia, sperimenti la relazione tra forza, massa e accelerazione di cui tratta il secondo principio della dinamica.

Che cosa afferma il secondo principio della dinamica?
Osserva i tre casi:
La valigia è sempre la stessa (19 ), ma se viene trainata da un adulto avrà accelerazione maggiore perché la forza applicata è maggiore.


- Se si mantiene costante la massa e si aumenta l’intensità della forza, l’accelerazione aumenta in proporzione: forza e accelerazione sono direttamente proporzionali.
Le due valigie sono trainate dalla stessa persona con uguale forza (20), ma la prima valigia avrà accelerazione maggiore perché ha massa minore.
- Se si mantiene costante l’intensità della forza e si aumenta la massa, l’accelerazione diminuisce in proporzione: massa e accelerazione sono inversamente proporzionali.
Le due valigie hanno la stessa accelerazione, anche se la seconda ha massa doppia della prima (21 ), perché la seconda è trainata con una forza doppia.
- Se si mantiene costante l’accelerazione e si aumenta la massa, la forza deve aumentare in proporzione: forza e massa sono direttamente proporzionali.

Forza, massa e accelerazione sono legate da una relazione nota come secondo principio della dinamica:
Una forza applicata a un corpo determina su di esso un’accelerazione che è direttamente proporzionale alla forza stessa e inversamente proporzionale alla sua massa.

Tale relazione può essere espressa dalla formula:

F = m × a

dove:
F = forza
m = massa
a = accelerazione

L’unità di misura della forza, il newton (N), si ricava proprio dalla formula che esprime il secondo principio:

1N = 1kg × 1m/s2

Il newton è infatti la forza che imprime a un corpo, di massa uguale a 1 kilogrammo, un’accelerazione di 1 metro al secondo ogni secondo. 

Il secondo principio della dinamica ti permette di esaminare in modo più approfondito le grandezze massa e peso e di comprenderne meglio la differenza. Sai già che la massa è la quantità di materia posseduta da un corpo mentre il peso è la forza con cui la Terra lo attira a sé.

Quale relazione esiste tra massa e peso di un corpo?
In laboratorio sono stati misurati:
- la massa di cinque oggetti, usando una bilancia;
- il peso degli stessi oggetti, usando un dinamometro.
I risultati sono stati inseriti nella tabella: tieni conto che si tratta di misurazioni e, come tali, hanno un margine di imprecisione. Se i risultati fossero davvero precisi, il grafico relativo, che esprime la relazione tra massa e peso, sarebbe quello illustrato, cioè una semiretta con origine in O che esprime la proporzionalità diretta tra massa (m) e peso (p). Calcolando il rapporto p/m si ottiene il coefficiente di proporzionalità che viene indicato con g, prende il nome di accelerazione di gravità e corrisponde a circa 9,8 N/kg. Dunque:

p/m = g ⇒ da cui p = m × g

Dunque, il peso non è altro che una forza che si ottiene dal prodotto tra la massa del corpo e l’accelerazione dovuta alla forza di gravità. Da questa relazione capisci anche che se g variasse, se cioè anziché fare l’esperimento sulla Terra lo si facesse su un altro pianeta o sulla Luna, non si otterrebbe lo stesso valore del peso. La massa invece rimarrebbe invariata.

5.3 Il terzo principio: azione e reazione

Forse hai assistito qualche volta a una gara di tuffi dal trampolino elastico. Ti sei accorto che il trampolino “spinge” verso l’alto l’atleta?

Perché accade questo fenomeno?
Osserva le immagini:

- Quando l’atleta balza sull’estremità libera del trampolino, lo flette verso il basso (22 ).
- Poiché il trampolino è elastico, si flette verso l’alto e spinge l’atleta in su (23 ).

L’“azione” dell’atleta provoca una “reazione” del trampolino.
Ogni volta che un corpo esercita su un altro una forza, detta azione, si oppone una forza di uguale intensità e direzione ma di verso opposto, esercitata dal secondo corpo sul primo, detta reazione.
Questa legge, che corrisponde al terzo principio della dinamica è più conosciuta come principio di azione e reazione:
A ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria.
Le forze si manifestano quindi sempre in coppia e il loro punto di applicazione è situato su corpi diversi.
Anche quando cammini puoi verificare il terzo principio della dinamica: il tuo piede applica un’azione sul terreno che a sua volta applica una reazione di uguale intensità ma di verso opposto sul tuo piede. Tutto ciò ti permette di avanzare.

Tutti gli animali che si muovono sfruttano il principio di azione e reazione, sia che il loro movimento avvenga sul terreno, nell’acqua o nell’aria. Sullo stesso principio si basa la propulsione a reazione dei missili (24 ): i gas di scarico dei motori, emessi con forza verso il basso, spingono in alto il missile. La forza di reazione è massima nello spazio vuoto perché non c’è l’attrito dell’aria. In natura, polpi, calamari e seppie (25 ) usano la propulsione a reazione per spostarsi: l’acqua contenuta nella cavità interna del corpo viene espulsa con forza, proiettando all’indietro il corpo dell’animale.

per saperne di più

Forza centrifuga e forza centripeta

Due forze che hanno la stessa direzione e verso contrario sono la forza centripeta e la forza centrifuga che sono presenti ogni volta che un corpo si muove lungo una traiettoria circolare.
Nella fotografia 1 puoi osservare un atleta nell’atto di lanciare il martello, costituito da una sfera legata a un filo d’acciaio, fissato a una maniglia.

• L’atleta prima del lancio fa roteare velocemente la sfera ruotando su se stesso. La sfera compie un movimento circolare in cui è soggetta a due forze: la forza centripeta, che la attira verso il centro dell’orbita, e la forza centrifuga, di uguale intensità e verso opposto, che la fa allontanare dal centro.
Quando l’atleta lascia la maniglia viene a mancare la forza centripeta e di conseguenza anche quella centrifuga, e il martello esce dall’orbita, allontanandosi dall’atleta.
In assenza di forze il martello si muove di moto rettilineo uniforme, secondo il primo principio della dinamica.
Immediatamente dopo intervengono la forza attrito dell’aria e la forza peso, che modificano le traiettorie e la velocità del martello fino a farlo cadere al suolo.

• In curva le strade sono costruite in modo che il lato esterno sia più alto di quello interno 2 . Ciò serve a ridurre la forza centrifuga a cui è soggetta una bicicletta, una moto o un’automobile che percorre la curva. Se la forza centrifuga fosse troppo elevata, infatti, in curva potrebbe far capovolgere il mezzo.
Naturalmente, per evitare incidenti, occorre affrontare la curva a velocità moderata. La forza centrifuga è direttamente proporzionale al quadrato della velocità. Perciò, se un’auto in curva raddoppia la velocità, la forza centrifuga diventa quattro volte più grande, aumentando notevolmente il rischio di incidenti.

• Anche le centrifughe 3 sono soggette alla forza centripeta e centrifuga.
Sono strumenti che, ruotando rapidamente (anche 40.000 giri al minuto), separano le particelle in sospensione in un liquido. Trovano applicazione nei laboratori scientifici, ma anche in casa (lavatrice, centrifuga per l’insalata…).