3A - Forze, lavoro, energia

Abbiamo ripreso alcune definizioni ed introdotto nuovi concetti.

Cos'è una forza?
Una forza è una grandezza fisica vettoriale che si manifesta nell'interazione di due o più corpi.
Per specificare completamente una forza ho bisogno di conoscere la sua intensità o modulo della forza, il punto di applicazione (il punto del corpo dove la forza agisce), di una direzione e di un verso (indicato dall'orientamento del vettore). L'unità di misura della forza nel SI è il newton (N).

Le forze sono le cause del cambiamento del moto dei corpi. Possono mettere in moto un corpo che si trovava in stato di quiete, modificare il movimento di un corpo già in moto, o riportare il corpo in stato di quiete.
Un corpo, anche se sottoposto a forze, può rimanere in quiete; ciò succede quando le forze subite dal corpo si bilanciano esattamente. Dello studio di questi effetti si occupa la statica, che analizza gli effetti delle forze sui corpi in quiete e ricerca le condizioni di equilibrio di corpi sottoposti ad un insieme di forze diverse. La dinamica analizza gli effetti delle forze sul movimento.
Componi le forze con l'animazione:
Composizione di forze

Cos'è il lavoro?

In fisica, il lavoro è definito tramite l'azione di una forza (o una risultante di forze) quando l'oggetto subisce uno spostamento e la forza ha una componente non nulla nella direzione dello spostamento.
Forza e spostamento sono grandezze vettoriali.

Spostamento orizzontale di un corpo sotto l'azione di una forza. Tale spostamento richiede lavoro per potere essere svolto.

Supponiamo di avere una forza costante F⃗ il cui punto di applicazione compie uno spostamento, dove lo spostamento è quel vettore che collega la posizione iniziale e la posizione finale di un moto:
s⃗ =P finale−P iniziale
Allora, definiamo il lavoro compiuto dalla forza F⃗ lungo lo spostamento s⃗ come il prodotto tra s e la componente di F⃗ lungo la direzione individuata da s⃗ :
L = F ⋅ s

Casi particolari:
1- spostamento in direzione perpendicolare alla forza
2- spostamento in direzione della forza e in verso concorde
3- spostamento in direzione della forza ma in verso discorde


1- Se s⃗ ed F⃗ sono perpendicolari, invece il lavoro sarà nullo, poichè la proiezione del vettore F⃗ lungo la direzione di s⃗ è solo un punto (che non ha lunghezza):
L=0

2- Se forza e spostamento sono paralleli e concordi, la componente della forza nella direzione dello spostamento è la forza stessa. Il lavoro della forza è quindi pari al prodotto del modulo di F⃗ per il modulo della forza s⃗:
L = F ⋅ s

3- Se s⃗ ed F⃗ sono paralleli ma discordi, il prodotto verrà cambiato di segno:
L= -F ⋅ s

Calcoliamo per esempio il lavoro effettuato dalla forza elastica, l’intensità della quale è data dalla legge di Hooke F(x)= - k x ove l’ascissa x rappresenta l’allungamento (con segno) della molla dalla sua posizione di equilibrio. Ricordiamo che il segno “− ” rappresenta il fatto che la forza è sempre in verso opposto allo spostamento: di conseguenza, avremo un lavoro negativo.
La forza elastica si manifesta in presenza di uno spostamento dalla posizione di equilibrio, e cerca di far tornare il punto proprio là: è naturale quindi che la forza sia diretta come lo spostamento, ma nel verso opposto. Si verifica sperimentalmente che il modulo della forza elastica è direttamente proporzionale allo spostamento: la costante di proporzionalità fra queste due grandezze si chiama costante elastica.

NOTA - In fisica le grandezze non sono tutte dello stesso tipo e si suddividono in due grandi categorie: scalari o vettoriali. Le grandezze scalari sono quelle grandezze che possono essere descritte solo con un numero e un’unità di misura. Quel numero rappresenta la loro misura. Il lavoro è una grandezza scalare, come anche il tempo. Le forze sono invece vettori.

L’energia che un corpo possiede è quella grandezza fisica che misura la capacità del corpo di compiere lavoro.
Per il momento ci accontentiamo di questa definizione.

Energia cinetica e potenziale: le montagne russe

Al link seguente troverai un'animazione che mostra come variano energia potenziale (= in fisica, l'energia potenziale di un oggetto è l'energia che esso possiede in virtù della sua posizione) ed energia cinetica (= energia che possiede un corpo per il movimento che ha o che acquista) durante il moto dei vagoncini sulle montagne russe. Puoi anche bloccare il trenino in certe posizioni e controllare il diagramma a torta che ti dice come variano energia potenziale ed energia cinetica.
Mini dizionario:
Roller coaster = montagne russe
potential and kinetic energy= energia potenziale e cinetica
coaster cars= vagoncini delle montagne russe
up and down the hills= su e giù per le colline
around the loop of the track=intorno all'anello
a pie chart=diagramma a torta
gravitational potential energy=energia potenziale gravitazionale

Una corsa sulle montagne russe

e per finire:

Un minuto da brivido

Ora prova tu con lo skate su una rampa (trascina lì lo skater):