la Classe 'capovolta' forze e deformazioni

Prima di iniziare cliccare su Preview (in alto alla pagina)

LE FORZE

La forza è un interazione tra due corpi o sistemi di forze

Descrizione di una forza

Le forze sono grandezze vettoriali: per descriverle completamente è necessario indicare direzione, verso, modulo e punto di applicazione.

Direzione, verso e punto applicazione di una forza
Misura di una forza

Lo strumento che consente di ottenere una misura dell'intensità di una forza è il dinamometro. Esso è costituito da una molla d'acciaio (che si comporta come un materiale elastico), con un gancio ad una estremità e un anello all'altra, racchiusa in un cilindro di plastica trasparente sul quale è riportata una scala di misura. Tirando il gancio del dinamometro, la molla si allunga: la posizione dell'indice rispetto alla scala graduata mostra il valore dell'intensità della forza di trazione esercitata. La misura della forza che si legge sulla scala del dinamometro è uguale alla intensità della forza che ha provocato la deformazione. Questo meccanismo di misurazione sfrutta il principio della Legge di Hooke (che vedremo in seguito), per cui la deformazione di un materiale elastico è direttamente proporzionale alla forza applicata al materiale stesso.

Dinamometro

Nel sistema Internazionale l'unità di misura della forza è il Newton (N). Un Newton è l'intensità della forza- peso con cui la Terra attrae un corpo di massa uguale a 102 g.

Newton (N)
Effetto di una forza

Le forze possono avere un effetto dinamico, che cambia lo stato di quiete o di moto dei corpi coinvolti, e un effetto statico, che produce deformazioni. La forza risultante (o totale) su un corpo è la somma vettoriale di tutte le forze agenti su di esso.

eFFETTO dinamico : Se un corpo, inizialmente fermo, comincia a muoversi, allora è applicata una forza totale diversa da zero che fa aumentare la sua velocità
effetto dinamico: Se un corpo, inizialmente fermo, continua a rimanere fermo, allora la forza totale che è applicata su di esso è uguale a zero
Tipi di forze: Forza peso, Forza attrito, Forza elastica
Schema illustrativo delle forze
Le forze: cosa sono e come agiscono

lE DEFORMAZIONI

La deformazione è il processo di cambiamento di forma di un corpo

Tutti i corpi soggetti all'azione di una forza subiscono una deformazione, che dipende, oltre che dall'intensità della forza applicata, anche dalla natura del corpo stesso. In generale, le deformazioni possono essere di due tipi: elastiche, che scompaiono quando la forza non è più applicata, e anelastiche, che permangono anche successivamente all'applicazione della forza.Dal punto di vista dei corpi, è possibile introdurre una distinzione tra corpi rigidi, plastici ed elastici, sulla base del comportamento del corpo durante e dopo l'applicazione della forza, cioè su quanto esso si sia prima deformato e abbia poi ripreso o meno il suo aspetto iniziale.I corpi rigidi mantengono inalterata la propria forma anche a seguito dell'applicazione di una forza; i corpi plastici, deformati dall'azione di una forza, non riprendono il loro aspetto primitivo; i corpi elastici vengono deformati ma riprendono il loro aspetto primitivo quando viene meno l'azione della forza.Queste proprietà vengono giustificate dal fatto che, a livello microscopico, i corpi solidi sono formati da un insieme di particelle con disposizione spaziale ben definita, all'interno del reticolo cristallino.Quando un corpo si deforma, la disposizione iniziale delle particelle si altera; la sua elasticità è quindi una misura della tendenza del suo reticolo a ricreare la configurazione iniziale. Quando però l'intensità della forza applicata è troppo elevata, tutti i corpi si possono deformare permanentemente e, al limite, rompersi; la deformazione massima a cui un corpo può essere sottoposto senza che esso modifichi permanentemente il proprio aspetto viene detta limite di elasticità.

Corpo che permane nella sua deformazione dopo essere stato sottoposto ad una sollecitazione (Forza)
La forza elastica e la legge di Hooke

In questa ultima parte di lezione analizzeremo la definizione di forza elastica e tutte le principali proprietà che la contraddistinguono. Nel frattempo ci soffermeremo sulla legge di Hooke, un'importante formula dedotta sperimentalmente che permette di calcolare il valore della forza elastica in modo semplice. Concluderemo la spiegazione con un esempio numerico e con un video illustrativo di un esperienza di laboratorio sul comportamento di una molla in estensione

Le molle e la forza elastica

La forza elastica è quella forza che si oppone alla deformazione di un corpo ed è un particolare tipo di forza non costante che può essere generata grazie all'uso delle molle. La formulazione della legge sulle forze elastiche si deve al fisico inglese R. Hooke, il quale stabilì che la forza elastica è direttamente proporzionale all'intensità della deformazione (sempre per valori inferiori al limite di elasticità) ed è sempre opposta a quella che provoca la deformazione stessa. Nel caso di una molla, per esempio, la sua deformazione, cioè il suo allungamento, è maggiore quanto più grande è la forza con cui essa viene tirata. Per presentare la definizione di forza elastica consideriamo una molla di lunghezza Lo (detta lunghezza a riposo) e immaginiamo di allungarla fino a farle raggiungere la lunghezza L.

Allungamento di una molla

La differenza tra la nuova lunghezza raggiunta e quella a riposo è chiamata elongazione e viene indicata con la lettera x= L-Lo. Una molla può anche essere compressa anziché allungata: si passa così dalla lunghezza a risposo ad una lunghezza inferiore. La differenza tra le due lunghezze è comunque l'elongazione, anche se in questo caso sarà negativa. Ogni volta che la molla viene allungata o compressa interviene la forza elastica, che si oppone all'elongazione della molla e la induce a riguadagnare la propria lunghezza iniziale (ossia la lunghezza a riposo).

La legge di Hooke: formula della forza elastica

La forza elastica generata da una molla che viene allungata o compressa è una forza direttamente proporzionale all'elongazione, ed ha un modulo, una direzione ed un verso che soddisfano una specifica formula, detta legge di Hooke. Secondo tale legge, il modulo della forza elastica F=Fe è dato dall'espressione:

Modulo forza elastica

dove k è una costante positiva, detta costante elastica, caratteristica del materiale considerato (si misura in newton su metro N/m), e x il vettore spostamento o elongazione definito in precedenza, che nel caso della molla è pari al suo allungamento (si misura in metri). Osservando il segno della x nella legge di Hooke possiamo capire in che modo stiamo deformando la molla. Come si vede nella figura sotto riportata, e come si desume dalla legge di Hooke, la forza elastica è parallela all'elongazione ma ha sempre verso opposto.

Vettore spostamento o elongazione

Notiamo che l'equazione descrive perfettamente il fenomeno fisico: se tiriamo la molla verso destra allungandola, essa cercherà di ripristinare la propria lunghezza a riposo esercitando una forza diretta verso sinistra. Viceversa, se comprimiamo la molla schiacciandola verso sinistra, essa cercherà di tornare alla lunghezza a riposo esercitando una forza verso destra.Il segno meno nella legge di Hooke significa allora che la forza elastica ha verso opposto rispetto all'elongazione opponendosi alle deformazioni con un'intensità a loro direttamente proporzionale, tendente a riportare la molla alla lunghezza iniziale. Per questa sua caratteristica, la forza elastica è detta anche forza di richiamo.Tenendo conto del segno della legge di Hooke, per gli allungamenti (x positiva), la forza è negativa mentre per le compressioni (x negativa) la forza è positiva. La costante elastica assume valori positivi per definizione e fornisce una misura della rigidità della molla: tanto maggiore è il valore della costante elastica k , tanto più la molla è rigida e dunque sarà più difficile cercare di allungarla o comprimerla.

Esempio di applicazione della legge di Hooke

Vediamo un esempio sul calcolo della forza elastica, che mette in luce una peculiarità di tale forza. In termini di modulo della forza non c'è nessuna differenza tra il comprimere una molla di una certa lunghezza e l'allungarla della stessa lunghezza. Se, ad esempio, comprimiamo di 0,05 m una molla di costante elastica k = 200 N/m, otterremo una forza in modulo pari a: F= k * x= 200N/m *0,05m= 10N.

Se invece allunghiamo la stessa molla di 0,05 m, otteniamo una forza identica in modulo alla precedente:F= k * x= 200N/m *0,05m= 10N.

Numericamente non cambia nulla: ciò che cambia è il verso del vettore forza, che nel primo caso è diretto verso destra mentre nel secondo è diretto verso sinistra. Per concludere dobbiamo specificare che la legge di Hooke è valida per valori della forza elastica che stanno al di sotto di una certa soglia, ovvero al di sotto del valore di quella forza che, esercitata dall'esterno sulla molla, la deformerebbe al punto tale che questa non sarebbe più in grado di ritornare nelle condizioni iniziali. Potete verificare voi stessi l'esistenza di limite elastico con un piccolo esperimento: fintanto che si comprime o si allunga la molla di una penna a scatto di piccole quantità, esse tornano sempre ad avere la loro lunghezza a riposo, ma se si esagera, allora si deformano in maniera irreversibile e non sono più utilizzabili.

FISICA IN LABORATORIO comportamento di una molla in estensione

Report Abuse

If you feel that this video content violates the Adobe Terms of Use, you may report this content by filling out this quick form.

To report a Copyright Violation, please follow Section 17 in the Terms of Use.