Forza (fisica)
Questo articolo parla del concetto di Forza in fisica. Per gli altri significati si veda Forza (disambigua).La Forza non è una quantità fondamentale della fisica, anche se generalmente il concetto Newtoniano di forza è uno dei primi insegnati agli studenti. Più fondamentali sono il momento, l'energia e lo stress. In effetti, non è possibile misurare la forza direttamente. Ogni volta che diciamo di misurare la forza, un rapido ragionamento ci dice che in realtà stiamo misurando lo stress (o il suo gradiente). La "forza" che sentiamo sulla pelle, ad esempio, è in realtà il cambio di pressione avvertito dalle nostre cellule nervose. Un dinamometro misura la tensione della molla, che è in realtà il suo stress, ecc. ecc.
In fisica, una forza netta che agisce su un corpo causa un'accelerazione del corpo (ovvero un cambio della sua velocità ). La forza è un vettore. L'unità di misura SI della forza è il newton.
Vedi anche in ingegneria meccanica:
- Statica, dove la somma delle forze agenti su un corpo in equilibrio statico (fermo, senza accelerazione) è zero. F=MA=0
- Dinamica, dove la somma delle forze agenti su un corpo o un sistema, nel tempo, è diversa da zero, con un conseguente insieme di accelerazioni definito dall'analisi dettagliata di equazioni derivate da F=MA.
La forza venne definita in modo tale che la sua reificazione spiegasse gli effetti di situazioni sovrapposte: se in una situazione,una particella è soggetta ad una forza, e in un'altra è soggetta a una forza differente, allora in una terza situazione, che (in base alla pratica comune) è presa come una combinazione delle due precedenti, la forza sperimentata dall'oggetto sarà la somma vettoriale delle forze individuali. La sovrapposizione delle forze, assieme alla definizione di massa inerziale e di spazio inerziale, sono i contenuti empirici delle leggi del moto.
Poichè la forza è un vettore, può essere scomposta in componenti. Ad esempio, una forza bidimensionale agente in direzione nord-est, può essere suddivisa in due forze una agente in direzione nord e una in direzione est. La somma vettoriale delle due forze componenti è pari alla forza originale.
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2 Relazioni tra unità di forza e unità di massa 3 Forze combinate |
Il significato della definizione precedente può essere ulteriormente spiegato. Innanzitutto, la massa di un corpo moltiplicata per la sua velocità definisce il suo momento (indicato da p). Quindi la definizione di cui sopra può essere scritta:
In molte esposizioni della meccanica, la forza è normalmente definita implicitamente in termini di equazioni che lavorano con essa. Alcuni fisici, filosofi e matematici, come Ernst Mach, Clifford Truesdell e Walter Noll, hanno trovato problematico questo fatto e hanno cercato una definizione più esplicita di forza.
Nella relazione
Per distinguere questi due significati di "chilogrammo", le abbrevaizioni "kgm" per chilogrammo massa (ovvero 1 kg) e "kgf" per chilogrammo forza, uguale a 9,807 N, sono a volte usate. Questi sono solo termini informali e non sono riconosciuti come unità di misura del Sistema Internazionale.
A livello del mare il chilogrammo massa è uguale al chilogrammo forza. Questa equivalenza è vera solo sulla superficie terrestre, e non vale quando si usa un'accelerazione diversa da quella dovuta alla gravità terrestre.
Il concetto di peso, contrariamente a quello di massa e di forza, dipende dall'ambiente nel quale viene effettuata la misurazione.In dettaglio
Se F non è costante in Δt, allora questa è la definizione della forza media nell'intervallo di tempo. Per applicare la definizione a un istante usiamo un idea del calcolo. Disegnando p come una funzione del tempo, la forza media sarà la pendenza della linea che unisce il momento in due istanti diversi. Prendendo il limite ottenuto ravvicinando i due istanti di tempo abbiamo la pendenza della curva in un dato istante, ovvero la derivata:
Con molte forze in gioco, viene associato un campo di energia potenziale. Ad esempio, la forza gravitazionale che agisce su un corpo, può essere vista come l'azione del campo gravitazionale presente dove si trova il corpo. Il campo potenziale è definito come quel campo il cui gradiente è inferiore alla forza prodotta in ogni punto:
Mentre la forza è il nome della derivata del momento rispetto al tempo, la derivata della forza rispetto al tempo viene a volte detta impulso. Derivate di ordine più alto possono essere considerate, ma non hanno un nome preciso, in quanto non vengono usate comunemente.
Relazioni tra unità di forza e unità di massa
che è derivata dalla seconda legge del moto di Newton, F è la forza espressa in newton, m la massa in chilogrammi e a è l'accelerazione in metri per secondo quadrato. Per un fisico, il chilogrammo è un'unita di massa, ma nell'uso comune "kilogrammo" è un abbreviazione per "il peso di un chilogrammo di massa a livello del mare sulla terra". A livello del mare, l'accelerazione dovuta alla gravità (a nell'equazione di cui sopra) è 9,807 metri per secondo quadrato, quindi il peso di un chilogrammo è 1 kg × 9,807 m/s² = 9,807 N.
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