Il concetto di forza

IL CONCETTO DI FORZA

Nell'esperienza comune si associa l'idea di "forza" a quella di "sforzo muscolare". A questo proposito dobbiamo notare che le forze o gli sforzi muscolari hanno effetti diversi sugli oggetti che ci circondano a seconda che questi siano "vincolati" oppure liberi di muoversi.

Una palla appoggiata per terra, per esempio, è vincolata nel suo movimento verso il basso dalla presenza del pavimento:

se applichiamo una forza sulla palla verso il basso, dunque, la palla non si muoverà ma si limiterà a deformarsi.

Se la forza viene invece applicata parallelamente al pavimento, per la palla non c'è nessun impedimento al movimento e infatti comincerà a muoversi in direzione della forza.

Le forze hanno dunque sugli oggetti due tipi di effetti:

EFFETTO STATICO su corpi vincolati nel movimento

EFFETTO DINAMICO su corpi liberi di muoversi.

L'idea di associare il concetto di forza a quello di sforzo muscolare ha dei limiti:

per applicare sforzo muscolare su un oggetto è infatti necessario entrare in contatto con l'oggetto stesso e questo non corrisponde sempre alla realtà delle cose: ci sono forze (come le forze magnetiche, elettriche e gravitazionali) che si esercitano fra due corpi senza che questi debbano entrare in contatto (la Terra, per esempio, tiene "legata" a sé la Luna mediante la forza gravitazionale senza toccarla).

Relativamente all'effetto dinamico delle forze, qual è il tipo di moto di un corpo sottoposto a forza?

L'effetto della forza sarà quello di "cambiare lo stato di moto" dell'oggetto:

se l'oggetto era fermo (velocità zero) comincerà a muoversi (velocità diversa da zero);

se l'oggetto era già in moto con una certa velocità, cambierà velocità (la aumenterà o diminuirà).

In ogni caso l'effetto della forza si è esplicitato con un cambiamento di velocità dell'oggetto. Se supponiamo che la forza abbia agito sull'oggetto per un tempo Dt, essendo in entrambi i casi la velocità finale v_f diversa da quella iniziale v_i, possiamo calcolare l'accelerazione a dell'oggetto:

a = Dv/Dt                                                                                 (34).

Possiamo dire dunque che l'effetto dinamico delle forze è quello di "generare" accelerazioni.

Cosa succederà ad un corpo non soggetto a forze?

La risposta più logica è quella che il corpo non sarà soggetto ad accelerazione e dunque starà fermo. Questo è vero, però dobbiamo ricordare che anche un corpo con moto rettilineo uniforme, pur non essendo fermo, non ha accelerazione.

La risposta più completa sarà dunque questa:

un corpo non soggetto a forza starà fermo o continuerà a muoversi di moto rettilineo uniforme.

Mentre è compatibile con il "senso comune" pensare ad un corpo fermo se non soggetto a forze, è più difficile pensare ad un corpo che continui a muoversi pur se non soggetto a forze, forse perché nella vita di tutti i giorni è presente la forza di attrito che tende ad opporsi a qualsiasi movimento, di modo che lo stato di moto più naturale che ci viene in mente è proprio quello dei corpi fermi.

Galileo si era già posto questi problemi ed aveva risolto il dilemma con questo semplice esperimento:

una pallina viene fatta rotolare lungo un piano inclinato partendo da ferma: lungo il piano inclinato agisce la forza di gravità e dunque la pallina accelera; in fondo al piano inclinato, ove sulla superficie piatta non agisce la forza di gravità,  la pallina è ben lungi dal fermarsi, ma continua a muoversi approssimativamente di moto rettilineo uniforme (se non ci fosse l'attrito continuerebbe a rotolare senza mai fermarsi).

Siccome su un corpo possono agire più forze contemporaneamente, è bene dire che un corpo si muove di moto accelerato quando la risultante delle forze che agiscono sul corpo (nel senso che poi preciseremo) è non nulla, mentre sta fermo o si muove di moto rettilineo uniforme quando la risultante delle forze è nulla.

Per quanto riguarda le unità di misura per la forza, il Sistema Internazionale usa il Newton (indicato con N), che è la forza che, applicata ad un corpo di 1 Kg, gli imprime un'accelerazione di 1 m/s².

Molto usato nella pratica è il chilogrammo - peso (Kg_p) (o chilogrammo - forza Kg_f) corrispondente a 9,8 Newton.