forza

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Una grandezza fedele a tre principi

Sollevare, capovolgere, allungare, accorciare e piegare: ecco quello che può fare una forza. Ma non basta, una forza serve anche per mettere in moto un corpo fermo o al contrario per rallentarlo. Una forza non si può toccare con le mani, ma è indispensabile per muovere i pedali di una bicicletta o sollevare da terra un carico troppo pesante. Ne esistono tante, tra loro diverse, e tutte obbediscono a tre leggi, i principi della dinamica, che permettono di capire che cosa regola i fenomeni del mondo fisico, perché alcuni corpi si muovono mentre altri se ne stanno ben fermi

Come agiscono le forze

La forza muscolare consente di spostarsi, sollevare carichi, tirare corde; il peso fa cadere a terra gli oggetti; vento e acqua agiscono con vigore sul paesaggio, modellandolo. Alcune forze sono attrattive e lavorano per tenere uniti i corpi, come il peso, altre sono repulsive e li allontanano, come accade per le forze elettriche che si manifestano tra cariche dello stesso segno.

Le forze sono presenze discrete perché si sentono ma non si vedono, e possono agire anche a distanza, come l'attrazione gravitazionale (gravitazione) che mantiene in orbita il nostro pianeta attorno al Sole nonostante siano separati da 150 milioni di chilometri. L'attrito invece è un esempio di forza di contatto perché si manifesta solo quando le superfici dei corpi si toccano.

Le forze che riescono ad aggregare la materia agiscono su distanze ravvicinate: la forza elettromagnetica tiene unite le cariche dell'atomo che hanno segno opposto, elettroni e protoni, mentre le forze nucleari ‒ quella debole e quella forte ‒ agiscono nel cuore dell'atomo. Quella debole provoca decadimenti radioattivi, quella forte invece aggrega protoni e neutroni. Le forze nucleari sono molto più intense delle altre, ma si avvertono solo su scala atomica; le forze elettromagnetiche invece raggiungono distanze maggiori e la gravitazione domina addirittura in tutto l'Universo.

I molti volti della forza

Senza la forza magnetica una calamita non servirebbe a nulla, senza quella elettrica non ci sarebbe la corrente per accendere le lampadine. L'attrito è indispensabile per far rotolare gli oggetti e la tensione serve per allungare elementi elastici.

Ci sono forze costanti e altre che cambiano nel tempo la loro intensità. Hanno effetti statici e dinamici perché possono sia deformare gli oggetti ‒ come quando si allunga una molla ‒ sia cambiare la velocità di un corpo in moto, accelerandolo o rallentandolo. La forza muscolare trasmessa con un calcio a un pallone riesce a farlo muovere, invece la resistenza dell'aria lo frena. L'attrito da un lato ostacola automobili e motociclette e dall'altro è indispensabile perché impedisce alle ruote di scivolare sull'asfalto. Insomma le forze governano il moto in tanti modi diversi.

Quando si allunga un elastico o si tende la corda di un arco la forza chiamata in causa è la tensione. Sarebbe difficile fare a meno dell'elastico dei pantaloni o dei calzini e senza la tensione non si potrebbero trasportare oggetti nelle borse della spesa. Le forze di compressione invece agiscono in modo opposto a quelle di tensione, accorciano e non allungano, ma sono altrettanto indispensabili perché permettono di sedersi o stare in piedi senza sprofondare nella sedia o nel pavimento. Infatti, in entrambi i casi il piano d'appoggio reagisce alla compressione sostenendo il peso dei corpi.

Le forze e il movimento

La dinamica è la branca della fisica che descrive il moto dei corpi servendosi delle forze che ne sono responsabili. Nel Seicento, Isaac Newton ha enunciato i principi fondamentali della dinamica, tre leggi che permettono di spiegare sia le orbite dei pianeti sia il funzionamento di un orologio a pendolo. In suo onore gli scienziati misurano ancor oggi le forze in newton (N), un'unità adatta per molti fenomeni quotidiani: servono all'incirca 5 N per azionare l'interruttore della luce e 20 N bastano per aprire una lattina.

Ma che cosa succede quando su un corpo non agisce alcuna forza? La risposta trovata da Newton ‒ nota come primo principio della dinamica ‒ è che se il corpo è fermo non comincia a muoversi, mentre se già si sta muovendo con velocità costante prosegue il suo cammino in linea retta senza accelerare. Tutto ciò accade perché il corpo ha una certa inerzia, una sorta di 'pigrizia' che si oppone ai cambiamenti del suo stato.

A dire il vero già Galilei aveva intuito il primo principio mentre studiava la velocità di una piccola sfera su un piano inclinato. La sfera dopo essere discesa lungo il piano inclinato continuava a muoversi su una superficie orizzontale e Galilei aveva notato che più la superficie era liscia più la sfera andava lontano: ne aveva concluso che se non ci fosse stato attrito la sfera avrebbe continuato a rotolare per sempre, per inerzia.

Il primo principio della dinamica è un caso particolare della legge fondamentale della dinamica (chiamata anche seconda legge della dinamica perché è stata formulata in seguito). Essa afferma che la forza è proporzionale all'accelerazione, cioè alla variazione di velocità del corpo, e quindi se la somma delle forze applicate a un oggetto è nulla, anche la sua accelerazione è nulla.

Il primo principio non è sempre verificato. Non vale per un osservatore che si trova in un sistema di riferimento in moto accelerato, come un'automobile che frena bruscamente o una giostra in movimento. Chi è in automobile o sulla giostra avverte forze che non sentirebbe in un sistema inerziale. Sono quelle che fanno cadere gli oggetti dai sedili quando la macchina frena di colpo oppure spingono verso l'estremo il passeggero della giostra. Sono le cosiddette forze apparenti e vengono introdotte per conservare le leggi della dinamica, anche nei sistemi non inerziali.

La massa e le leggi della dinamica

La quantità che mette in relazione la forza all'accelerazione è la massa. Newton è stato il primo a introdurla, intendendola come la resistenza che un corpo oppone ai cambiamenti di velocità. Da qui deriva il secondo principio, la sua legge più celebre, dove afferma che la forza (F) è uguale alla massa (m) per la variazione di velocità, cioè l'accelerazione (a):

F = ma.

La massa è una caratteristica che il corpo porta con sé ovunque; è la stessa in qualsiasi punto dell'Universo e si misura, tramite una bilancia, in chilogrammi. Non va confusa con il peso, la forza che attira i corpi verso il suolo e che invece varia a seconda del luogo: si è più leggeri sul cucuzzolo di una montagna che a livello del mare. Infatti l'accelerazione di gravità, che permette di calcolare il peso, cambia leggermente, anche se è sempre un po' meno di 10 N/kg.

Ma se è vero che la Terra attrae un sasso e lo fa cadere al suolo è altrettanto vero che il sasso attrae la Terra: tuttavia le due masse sono tanto diverse ‒ pochi chilogrammi rispetto a miliardi e miliardi ‒ per cui l'azione del sasso sulla Terra è impercettibile rispetto a quella del Pianeta sul sasso. Il terzo e ultimo principio della dinamica afferma infatti che le forze si presentano sempre a due a due: per una che agisce ne esiste un'altra che re-agisce. Senza questo principio i polipi non potrebbero muoversi e i razzi e le navicelle spaziali non volerebbero: in tutti questi casi a mantenerli in movimento è la reazione rispettivamente contro l'acqua e contro i gas di scarico del combustibile.

Che… forza, ragazzi!

Molti personaggi dei fumetti manifestano una forza decisamente eccezionale. Popeye, ribattezzato in Italia Braccio di Ferro, è un muscoloso marinaio con un segreto tutto vegetale per il suo vigore. Un barattolo di spinaci ingurgitato d'un colpo gli permette di tener testa a Bluto che cerca di conquistare Olivia con l'inganno e la prepotenza. Le erbe sono gli ingredienti principali anche della pozione che il druido Panoramix prepara per i Galli in lotta contro Cesare nel fumetto che ha per protagonisti Asterix e Obelix. Piccolo di statura ma scaltro e coraggioso, Asterix subisce un effetto solo temporaneo dalla pozione magica, mentre Obelix può farne a meno perché da piccolo è caduto nel pentolone di Panoramix bevendo una quantità di liquido tale da bastargli per tutta la vita.