Forza

La forza è una grandezza fisica vettoriale, definita dal secondo principio della dinamica come causa dell’accelerazione della massa. In altre parole è un’azione che generalmente provoca un movimento accelerato.

Si esercita una forza quando si spinge o si tira un corpo, sia per contatto fisico diretto che a distanza (come ad esempio accade per la forza gravitazionale).

Classificazione delle forze

Le forze che agiscono su un corpo materiale, o ad esempio una macchina, o sui singoli membri di essa, possono essere classificate in vario modo.

Forze fondamentali

Le forze fondamentali (dette anche interazioni fondamentali) della Fisica, sono quelle interazioni o forze della natura che permettono di descrivere i fenomeni fisici a tutte le scale di distanza e di energia, e che non sono riconducibili ad altre forze. Esse sono:

  1. forza gravitazionale: determina la forza gravità sulla Terra e l’attrazione dei pianeti, fenomeni descritti in buona approssimazione dalla legge di gravitazione universale, e anche la geometria dello spazio e del tempo dell’universo in base alla relatività generale;
  2. forza elettromagnetica: è responsabile delle proprietà chimiche degli atomi e della struttura delle molecole;
  3. forza o interazione nucleare debole: è responsabile delle forze che intervengono nei decadimenti nucleari. L’interazione debole ha un raggio d’azione finito comparabile alle scale delle lunghezze subatomiche, quindi particolarmente piccolo, se raffrontato con le scale umane;
  4. forza o interazione nucleare forte: tiene uniti i quark, costituenti elementari dei protoni e dei neutroni; è la forza più intensa fra quelle finora conosciute.

Forze interne ed esterne

Si chiamano forze interne, quelle che si esercitano tra le varie parti che costituiscono un sistema, ossia in Meccanica, quelle che a ciascun membro della macchina sono applicate da parte degli altri membri con cui esso è a contatto.

Ora, poiché un sistema di forze interne è costituito da coppie di vettori di braccio nullo, sarà sempre nullo sia la sua risultante sia il suo momento risultante rispetto ad un polo qualsiasi.

Inoltre, mentre il risultante di un sistema di forze interne è nullo, il lavoro complessivo delle forze interne è generalmente non nullo (è nullo solo il lavoro delle forze interne dei corpi rigidi, come ovvia conseguenza della ipotesi di perfetta rigidità) e può essere, secondo i casi, negativo o positivo. Sarà negativo, per esempio, quando si tratti del lavoro compiuto da forze dissipative (caso delle forze di attrito); ma sarà positivo quando si tratti del lavoro compiuto da forze capaci di generare moto.

Sono forze esterne, invece, quelle che agiscono sul sistema dall’esterno, intendendo come “esterno” lo spazio non occupato dal sistema stesso (la macchina, il meccanismo, o un singolo membro di questa) di cui si vuol studiare il comportamento dinamico.

Possono essere forze agenti su un punto o anche forze distribuite; in tal caso, tuttavia, possono, generalmente, essere ricondotte ad un risultante applicato in un opportuno centro di riduzione e ad un momento risultante.

Per esempio se consideriamo un sistema di aste variamente collegate tra di loro, la forza peso è una forza esterna.

Forze reattive e forze attive

Si chiamano forze reattive le forze che i vincoli esercitano su di un sistema, ovvero le forze che bisogna sostituire ai vincoli per realizzare lo stesso stato di quiete o di moto ottenibile in presenza dei vincoli.

Questa definizione si basa in realtà su un postulato, detto Postulato delle reazioni vincolari, che afferma appunto che le azioni che un vincolo esercita su un sistema materiale sono sempre rappresentabili con un insieme di forze.

Tutte le forze non reattive (ossia di reazione vincolare) si chiamano forze attive; siano esse esterne oppure interne, sono generalmente funzioni note dei parametri da cui esse dipendono.

In altre parole le forze attive sono quelle che causano il moto oppure un’azione in un determinato sistema.

Forze conservative

Le forze conservative (o campi di forze conservative) sono quelle forze per le quali il lavoro compiuto non dipende dalla traiettoria seguita ma soltanto dalle posizioni iniziale e finale. In altre parole, una forza conservativa è una forza che dipende solo dalla posizione e che conserva l’energia meccanica. Tutte le interazioni fondamentali sono conservative.

La forza conservativa è quindi quella forza che ammette energia potenziale ossia un’energia che dipende solamente dalla posizione della massa nello spazio. Per essere conservativo, un campo di forze deve necessariamente essere di tipo stazionario, ossia indipendente dal tempo.

Alternativamente, una forza è conservativa quando il lavoro svolto lungo qualsiasi circuito chiuso è nullo. Se invece il lavoro dipende dal cammino seguito, viene perduto sotto forma di energia non riutilizzabile (es. energia termica – calore – negli attriti) e la forza è detta dissipativa.

Forze concentrate e distribuite

Si chiamano forze concentrate, o carichi concentrati, quelle forze che sono applicate a specifici punti del sistema.

Per esempio quando si apre una porta, si esercita una forza concentrata sulla maniglia.

Si chiamano, invece, forze distribuite o carichi distribuiti quelle che sono applicate in ogni punto di un sistema (o di una sua parte) e che di solito sono assegnate mediante una densità. Esempio classico è la forza peso.

Forze di massa

Si definiscono forze di massa tutte le forze esterne (forza gravitazionale, forza peso) che si esercitano a distanza sulle particelle del sistema, proporzionalmente alla loro massa; di norma sono espresse come forze per unità di massa.

Forze d’inerzia

Le forze (azioni) d’inerzia sono quelle forze che si manifestano tutte le volte che un corpo non si muove di moto traslatorio uniforme. Dipendono dalla massa e dalla accelerazione dei singoli punti del corpo stesso e, in generale, danno luogo ad un risultante delle forze e ad un momento risultante (delle forze d’inerzia).

Non si tratta di azioni effettivamente applicate al sistema ma sono forze che nascono dal moto del rigido e che vengono effettivamente trasmesse dal sistema ai suoi vincoli.

Forze motrici

Si chiamano forze motrici quelle forze che producono il moto ed il cui lavoro è sempre positivo.

Sono l’opposto delle forze resistenti.

Forze resistenti

Si chiamano forze resistenti quelle forze che si oppongono al moto e che quindi compiono un lavoro negativo.

Sono l’opposto delle forze motrici.

Forze fittizie o apparenti

In generale il secondo principio della dinamica è valido in sistemi di riferimento inerziali, cioè in quei sistemi dove i corpi di massa \(m\) soggetti o non soggetti a delle forze permangono nel loro stato di moto o di quiete.

Le forze fittizie, invece, hanno luogo in sistemi di riferimento non inerziali. Queste forze non sono spiegabili con l’interazione fra la massa e l’ambiente circostante ed inoltre, non soddisfano il terzo principio della dinamica.

Esempi di forze fittizie sono le forze che si generano quando si è su di un mezzo di trasporto e quest’ultimo accelera o frena, la sensazione di spinta che il passeggero prova in queste circostanze non è provocata da forze applicate. Quindi:

  • la forza d’inerzia;
  • la forza centrifuga;
  • la forza centripeta;
  • la forza di Coriolis.

Forze di superficie

Si definiscono forze di superficie tutte quelle forze che vengono esercitate a contatto con il sistema attraverso la sua superficie di contorno.

Campo di forze

In fisica, si definisce campo di forze quel campo vettoriale che descrive la presenza di una forza in ogni punto dello spazio. Si tratta di una funzione che associa ad ogni posizione un vettore che ha l’intensità e la direzione della forza.

Fra i campi di forze conosciuti, hanno particolare interesse i campi gravitazionali, i campi elettrici, i campi magnetici, i campi elettromagnetici, i campi nucleari. Infatti, la definizione di campo di forze venne introdotta per la prima volta da Eulero per descrivere il comportamento dei fluidi, e successivamente con Faraday e Maxwell si affermò definitivamente nel corso del XVIII secolo per descrivere l’interazione a distanza tra oggetti. L’idea di un’azione a distanza è stata a lungo un tema dibattuto tra i fisici, e lo stesso Isaac Newton scrive in una lettera a Richard Bentley:

«Che un corpo possa agire su un altro corpo a distanza senza la mediazione di null’altro è per me una così grande assurdità che ritengo che nessuna persona con un minimo di competenza nelle questioni filosofiche vi possa credere.»

Isaac Newton, Four letters from Sir Isaac Newton to Doctor Bentley, containing some arguments in proof of a deity, Londra, R. e J. Dodsley, 1752.

Secondo la teoria dei campi ogni effetto fisico si propaga nello spazio con velocità finita e lo spazio è un luogo perturbato che può essere descritto in funzione di alcune grandezze.

Un campo indica l’insieme dei valori che una grandezza assume in ogni punto di una regione dello spazio. Quindi: in una certa regione dello spazio esiste un campo se ad ogni punto dello spazio, si può associare il valore di una determinata grandezza fisica.

Quest’ultima definizione induce a pensare che il concetto di campo di forze può essere esteso ad altre grandezze come ad esempio la temperatura (vedi campo delle temperature).

Linee di forza

Si definiscono linee di forza, quelle linee orientate, disegnate in modo tale che in ogni punto la tangente alla linea di forza fornisca la direzione del campo di forze in quel punto, mentre il verso del campo è indicato dall’orientazione della linea.