Giuseppe Pignatale Presenta:
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Fisica:
Meccanica:
Statica:
FORZE E LORO MISURA.
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Il concetto di forza.
li concetto di forza è essenzialmente di origine fisiologica e nasce in origine dalla sensazione di resistenza che avvertiamo tutte le volte che cerchiamo di modificare lo stato di riposo o di movimento di un corpo. Per comprendere meglio questo concetto, consideriamo un corpo in quiete, per esempio una sfera d'acciaio sopra un piano orizzontale perfettamente liscio. L'esperienza comune insegna che, in assenza di qualsiasi influenza o azione esterna, la sfera rimane indefinitamente nel suo stato di riposo. Se si esercita però su essa uno sforzo muscolare, anche minimo, in una direzione in cui il moto è possibile, il corpo si mette in movimento spostandosi nella stessa direzione e verso in cui è stato esercitato lo sforzo: noi attribuiamo lo spostamento della sfera alla forza sviluppata dai nostri muscoli.
Facciamo un altro esempio: un corpo qualunque è abbandonato a una certa altezza dal suolo. Appena libero, il corpo cade verticalmente verso il basso per effetto del proprio peso. Ne deduciamo che il peso d'un corpo è una forza la cui presenza è sufficiente a produrre il movimento del corpo, al pari di una spinta o trazione muscolare.
Dai due esempi riportati appare evidente che una forza si presenta innanzi tutto come causa del movimento.
In generale noi chiamiamo forza qualsiasi azione capace di agire su un corpo modificandone lo stato di quiete (o di moto).
La natura delle forze che ci è dato di osservare in natura può essere assai varia. Esse però sono sempre dovute all'azione che un corpo esercita su un altro con esso a contatto o no.
Nel primo caso si parla di forze di contatto, nel secondo di forze con azione a distanza.
Sono forze di contatto quelle esercitate sui corpi mediante uno sforzo muscolare della mano, la tensione di un filo o di una molla elastica, la pressione di un'asta rigida.
Sono invece forze con azione a distanza la forza peso o di gravità, già considerata, quella magnetica che una calamita esercita su un pezzo di ferro o quella elettrica che permette a una bacchetta di ebanite, strofinata con un panno di lana, di attrarre a sé dei pezzettini di carta.
Elementi di una forza.
Quando noi spingiamo o tiriamo un corpo con la mano per spostarlo, lo spingiamo o lo tiriamo in una determinata direzione e verso, esercitando uno sforzo più o meno intenso in un punto del corpo opportunamente scelto - vedi sotto(fig. 1).
Non si confonda la direzione con il verso: per una stessa direzione possiamo far muovere un tavolo in due maniere, attirandolo verso di noi o spingendolo lontano.
Queste semplici osservazioni, mettono chiaramente in luce gli elementi indispensabili per caratterizzare una forza, che sono:
punto di applicazione: quello in cui la forza è direttamente applicata al corpo;
direzione: la retta nella quale la forza, agendo da, sola, tende a trascinare un corpo in quiete supposto libero;
verso: l'uno o l'altro dei due orientamenti possibili su ciascuna direzione;
Intensità: l'azione più o meno grande con la quale la forza agisce.
Pertanto una forza, al pari della velocità e dell'accelerazione, è una grandezza vettoriale i cui elementi possono tutti essere sintetizzati rappresentandola con un segmento frecciato o vettore: l'origine del vettore indicherà il punto di applicazione, il segmento stesso la direzione, la freccia il verso e la lunghezza del segmento disegnato in una data scala, l'intensità (o modulo) della forza in unità prefissate.
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Misura statica delle forze
L'esperienza comune insegna che un corpo in quiete, sottoposto all'azione di una forza unica, manifesta una tendenza al moto nel verso della forza applicata. Questa tendenza al moto però può essere contrastata e annullata da un'altra forza applicata al corpo contemporaneamente alla prima. Proviamo tutto ciò con un carrello sul quale si esercita una forza di trazione F mediante un filo opportunamente teso: il carrello si muove - accelerando - nel verso della forza. Per ristabilire le condizioni di equilibrio e impedire il movimento del carrello applichiamo a esso, nella stessa direzione del filo, una molla d'acciaio elicoidale, tenendone ferma l'altra estremità ( vedi fig. 2). Osserviamo che il carrello si arresta solo quando l'allungamento subito dalla

molla è tale da neutralizzare, con la forza elastica da esso sviluppata, l'azione
della forza F.
La capacità di un mezzo elastico, come la molla, di sviluppare, a mano a mano che si deforma, una reazione capace di neutralizzare l'azione esercitata da un'altra forza, può essere sfruttata per precisare e - rendere oggettiva - la nozione di forza, riconducendola alla misura di una deformazione. Ouesto metodo è detto metodo statico perché, qualunque sia il mezzo messo in opera, esso consiste essenzialmente nel confrontare la deformazione prodotta da una forza incognita in un corpo elastico con quella prodotta nello stesso corpo da una forza facilmente riproducibile, presa come unità: per esempio il peso di un corpo campione.
Naturalmente per rendere il metodo sensibile e preciso, occorre che le deformazioni siano le più ampie ed evidenti possibili; inoltre il corpo deve essere perfettamente elastico, cioè deve riprendere la sua configurazione primitiva al cessare della sollecitazione.
Nella pratica la misura di una forza è fatta con uno strumento chiamato dinamometro o bilancia a molla.
Un dinamometro è costituito generalmente da una molla di acciaio a elica, di cui un estremo è ancorato a un punto fisso mentre l'altro porta un gancio per applicarvi le forze. Un indice mobile davanti a una scala graduata (e collegato al gancio) permette di leggere su questa direttamente gli allungamenti (vedi fig. 3).
Per tarare lo strumento si preparano tanti campioni uguali per forma e sostanza e si verifica che essi, appesi separatamente al gancio della molla, ne provocano lo stesso allungamento. Quindi si indicano sulla scala gli allunungamenti della molla prodotti rispettivamente da 1, 2, 3. 4... di tali campioni. A questo punto per misurare una forza qualsiasi basta applicarla al gancio della molla e leggere, nella posizione di arresto dell'indice, il numero di pesi campione necessari a produrre lo stesso allungamento. Poiché la molla dello strumento assume in ogni caso la stessa orientazione della forza esercitata sul gancio con un dinamometro del tipo descritto si possono rilevare tutti gli elementi d'una forza (modulo, direzione, verso)
Unità statica di forza
Come unità di forza per tarare un dinamometro può scegliersi o a priori una forza campione qualsiasi, purché facilmente riproducibile.
L'unità scelta nel sistema tecnico o degli Ingegneri si chiama chilogrammopeso [kg,]. Ricordiamone la definizione:
Il chilograunno-peso é il peso nel vuoto, alla latitudine di 45° e al livello del mare, di un campione di platino-iridio (chilogrammo-campione) conservato nell'archivio internazionale di Pesi e Misure a Sèvres (Parigi).
Tale peso uguale, con ottima approssimazione, a quello di un decimetro cubo di acqua distillata alla temperatura di 4 °C, preso nelle stesse condizioni. Occorre osservare però che il chilogrammo-peso non è un campione di forza trasportabile. Infatti si è potuto stabilire, per mezzo di dinamometri sensibilissimi, che la forza di gravità di un corpo dipende dalla latitudine e dalla altezza sul livello del mare alle quali il corpo si trova. Per le suddette ragioni si preferiscono spesso al chilogrammo-peso e ai suoi multipli e sottomultipli altre unità di forza come il newton [N] e la dina.
Occorre sapere che ci vogliono circa 9.8 N per fare 1 chilogrammopeso e lO' dine per fare un newton, cioè:
1kg,=9.8N
1 N =105 dine
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