FORZA

FORZA (dal lat. fortia, plur. neutro di fortis; fr. force; sp. fuerza; ted. Kraft; ingl. force)

In meccanica s'intende per forza qualsiasi circostanza capace di produrre o di modificare un movimento. Tale è, p. es., il peso, o forza di gravità, tale lo sforzo muscolare di un uomo o di un animale, la tensione di un filo, l'attrazione di una calamita o di un corpo elettrizzato, ecc. Per precisare e rendere quantitativa questa definizione un po' vaga, si ammette (in pieno accordo con la più comune esperienza) che una forza sia completamente determinata dai tre seguenti elementi: punto di applicazione, direzione e intensità. In termini matematici si ammette che essa sia una grandezza vettoriale (v. vettore) e si passa poi a definire separatamente codesti tre elementi, indicando i vari modi di determinarli. Il punto di applicazione è il punto del corpo che risentirebbe l'azione della forza anche se non fosse collegato agli altri. La direzione della forza è quella nella quale s' inizierebbe il movimento se la forza agisse su un corpo in quiete. Per definire l'intensità può servire il dinamometro (v.), il quale è, sostanzialmente, una molla, di cui sono state determinate le deformazioni sotto l'azione di forze note, generalmente di pesi (misura statica delle forze). Così il dinamometro permette di confrontare qualsiasi forza con un peso, e questo invero si presenta naturalmente come la forza tipo a cui comparare tutte le altre. È per questo che l'unità pratica di forza è il chilogrammo-peso, il quale è definito come il peso, a Parigi, di una massa di 1 kg., ossia di una massa uguale a quella del chilogrammo-campione di platino iridiato depositato a Sèvres, e sensibilmente uguale a quella di un dmc. di acqua distillata a 4°. Ma è noto che, essendo diversa la gravità da luogo a luogo, la stessa massa ha un peso differente a seconda della località e perciò la precedente definizione presenta l'inconveniente che in un luogo qualsiasi, dove la gravità non sia la stessa che a Parigi, una massa di un kg. ha un peso che non è di un kg.-peso. Perciò è stata adottata, per uso scientifico, un'unità più razionale di forza, detta dine, la quale si riconnette al sistema assoluto C. G. S. La sua definizione è fondata sulla legge fondamentale della dinamica (v.), secondo la quale l'accelerazione di un punto è direttamente proporzionale alla forza che su di esso agisce, e inversamente alla sua massa: la dine è definita come la forza che, applicata alla massa di 1 gr., le imprime l'accelerazione di 1 cm./sec².

Scegliendo queste unità, la forza risulta non solo proporzionale, ma uguale al prodotto della massa per l'accelerazione:

La dine risulta uguale a 1 : 980,665 grammi-forza, vale a dire poco più di un milligrammo. Un secondo modo di misurare l'intensità di una forza è offerto appunto dalla (1), la quale ci permette di calcolare la forza agente su un punto materiale di massa nota, misurandone l'accelerazione e moltiplicandola per la massa (misura dinamica delle forze).

Definiti così gli elementi di una forza, è sempre possibile rappresentarli mediante una freccia, avente come direzione e come punto di applicazione quelli della forza e avente una lunghezza proporzionale, secondo una scala prestabilita, all'intensità della forza. Tale rappresentazione è molto conveniente, soprattutto perché si presta, mediante la regola del parallelogrammo, a trovare la risultante di due o più forze applicate al medesimo punto, cioè a trovare quella forza che da sola produrrebbe su quel punto lo stesso effetto delle forze date. Tale risultante può anche essere nulla, nel qual caso si dice che le forze "si fanno equilibrio".

La forza agente su un punto può dipendere dalla sola posizione di questo, e allora si dice posizionale (per es. la gravità), o può dipendere anche dalla sua velocità (per es. la resistenza dell'aria); analiticamente, ciò si traduce nel fatto che le tre componenti X, Y, Z del vettore "forza" sono nel primo caso funzioni delle sole coordinate x, y, z, nel secondo sono funzioni di x, y, z, dx/dt, dy/dt, dz/dt. In esse poi può anche intervenire esplicitamente la variabile tempo, cioè si può avere:

È questo il caso più generale che praticamente si presenti. Tra le forze posizionali, sono particolarmente importanti quelle dette conservative, ossia derivanti da un potenziale (v. dinamica; potenziale): tali sono, per es., l'attrazione newtoniana, la forza elettrostatica e quella magnetica; esse sono analiticamente caratterizzate dal fatto che X, Y, Z sono le tre derivate parziali di una medesima funzione U (x, y, z).

La nozione di forza ci proviene sostanzialmente dalla sensazione particolare che proviamo ogniqualvolta esercitiamo uno sforzo muscolare; siccome abbiamo constatato che molte volte l'azione meccanica di un corpo su un altro (p. es. della calamita sul ferro, di un peso sul suo sostegno, di una molla sui suoi punti di appoggio) può essere sostituita da un opportuno sforzo muscolare, così, generalizzando, siamo stati portati a introdurre nel mondo fisico un ente, il quale rappresenti in modo quantitativamente più esatto siffatte azioni meccaniche. Appunto per questa origine antropomorfica del concetto di forza taluni hanno voluto eliminarlo dalla meccanica, o per lo meno introdurvelo solo in via ausiliaria. Così p. es. F. Mach, fin dal 1883, scriveva che era possibile costruire una meccanica in cui iI concetto di forza fosse superfluo. Tale idea era in seguito realizzata da H. Hertz, la cui Meccanica (1894) è svolta in buona parte senza far uso del concetto di forza, il quale viene poi introdotto solo come un ente ausiliario, la cui considerazione è comoda in quei casi in cui, fissando la nostra attenzione sopra una parte di un sistema meccanico, vogliamo ignorare il comportamento delle parti rimanenti: allora l'azione di queste può essere sostituita con delle "forze". Comunque, sebbene logicamente non necessario, il concetto di forza, appunto per il suo stretto rapporto con le nostre intuizioni, ha e avrà sempre una parte fondamentale nella meccanica razionale e nella tecnica.

La parola forza, che ha oggi in meccanica il significato ben preciso che è stato spiegato più sopra, fu adoperato in tempi passati, anche nella scienza, in un senso più vago, e ne fanno fede talune locuzioni improprie che sono sopravvissute nel linguaggio comune (per es.: "le forze della natura", nel significato generale di "agenti fisici", "forza di una macchina" nel significato di "potenza" (v.); e talora anche in quello scientifico (per es., "forza viva"; v. energia). Così si dice talvolta che un sasso o un proiettile lanciato si muove "per forza d'inerzia": tale locuzione è errata, perché è appunto in mancanza di forze che un proiettile continuerebbe indefinitamente il suo movimento (v. inerzia). Taluni fisici poi chiamano forza elettrica e forza magnetica rispettivamente l'intensità del campo elettrico e magnetico: tali grandezze però non hanno le dimensioni di una forza, ma quelle di una forza divisa per una quantità di elettricità o di magnetismo.