La parte della fisica che si occupa di studiare i corpi "fermi" in
condizioni di equilibrio, si chiama "STATICA".
Vedremo che affinché un corpo resti fermo in equilibrio devono
verificarsi due condizioni :
- Deve essere nulla la risultante di tutte le forze applicate a
questo corpo
- Deve essere nulla la somma dei momenti applicati a questo
corpo.
Nel prossimo capitolo vedremo cosa vuol dire la seconda affermazione,
per ora limitiamoci alla prima.
Intanto dobbiamo introdurre il concetto di "forza".
La definizione dinamica ed efficace la vedremo più avanti, quando
parleremo dei tre principi della dinamica di Newton.
Per ora accontentiamoci di qualcosa di più intuitivo.
Parliamo di "tirare" un oggetto con una corda. Il concetto di "forza" è
abbastanza semplice, è lo "sforzo" che dobbiamo fare per spostare, o
anche solo sostenere, l'oggetto tirando il cavo.
Per quantificare la cosa, cioè per poter mettere dei numeri, sarà il
caso di definire però almeno una "forza".
L'esempio più semplice che mi viene in mente è il "peso" di un corpo.
C'è differenza tra "massa" e "peso".
La "massa" (che misuriamo in kg) è una proprietà assoluta di un corpo.
Per capirci, un litro d'acqua ha una "massa" di un kg.
Sulla Terra un litro d'acqua ha anche un "peso" di un kg, ma sono due
cose decisamente diverse.
Sulla Luna la stessa quantità d'acque ha una massa sempre di un kg,
mentre il "peso" sarebbe circa di 170 grammi.
Questo perché la "massa" è una grandezza che indica la quantità di
materiale (diverso dal "volume", se un kg d'acqua si trasforma in vapore
o in ghiaccio occupa un volume diverso, non più un litro, ma la sua
massa resta di un kg), mentre il "peso" è una forza, dovuta
all'interazione delle due "masse", quella dell'oggetto di cui parliamo e
quella del pianeta su cui siamo.
La forza peso è sempre diretta verso il centro del pianeta (quindi
banalmente per noi verso il basso) e vale (in Newton, che è l'unità di
misura delle forze) mg cioè il prodotto della massa appunto, per
la costante "g" che è l'accelerazione di gravità, che sulla Terra vale
9.8 m/s2.
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Per praticità, però, nel sistema "degli ingegneri", si
confondono il kg massa (che è appunto una massa) col kg peso
(che è una forza).
Con questo sistema 1 kg massa corrisponde ad 1 kg peso.
Negli esercizi e in genere per specificare senza ambiguità di
cosa stiamo parlando, quando diciamo "un oggetto di massa 2 kg"
intendiamo un oggetto che ha una massa di 2 kg e che quindi
esercita una FORZA di 2x9.8 = 19.6 Newton.
SE invece parliamo di un "oggetto del peso di 2 kg" intendiamo
un aggetto che esercita una forza di 2 kg PESO (che sono sempre
19.6 Newton) diretta verso il basso.
La massa resta la stessa ovunque ci troviamo, il peso dipende
dalla forza di gravità, per cui varia se andiamo nello spazio o,
come vedremo nella dispensa 8, anche sulla Terra in funzione
della latitudine e della quota a cui ci troviamo. |
EQUILIBRIO
DELLE FORZE |
Un corpo resta fermo (o permane nella sua
condizione di moto rettilineo uniforme) se la risultante di
tutte le forze ad esso applicate è nulla. |
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La "risultante" è la somma VETTORIALE delle
forze, che devono quindi essere viste come vettori, con un
modulo, direzione e verso.
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Le REAZIONI VINCOLARI
Quando consideriamo un sistema dobbiamo analizzare come questo
si collega al mondo esterno
L'oggetto può essere APPOGGIATO su un piano, in questo caso il
piano (se non vi è attrito) impedisce soltanto il movimento
nella direzione normale (perpendicolare) a questo - l'oggetto è
libero di spostarsi parallelamente al piano di appoggio.
L'oggetto può essere INCERNIERATO (tipico collegamento con un
bullone) - in questo caso non può muoversi ma può ruotare.
L'oggetto può essere INCASTRATO (ad esempio con più bulloni o
con saldatura) - in questo caso l'oggetto non può fare alcun
tipo di movimento. |
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Le reazioni vincolari sono le forze messe in gioco dal vincolo, che
sono solo una "reazione" alle altre forze cha agiscono sul sistema,
ad esempio nella figura il carrello appoggiato che pesa F1
sarà sostenuto da una reazione vincolare F2 in
direzione e modulo uguale ad F1 ma di verso
opposto (più semplicemente opposta ad F1)
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ESERCIZIO DI ESEMPIO |
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ESERCIZIO DI ESEMPIO |
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LA FORZA DI ATTRITO |
Un'altra forza con cui spesso abbiamo a che fare è la forza di attrito
che agisce tra due corpi a contatto tra loro.
Nella formulazione "classica" si parla di tre tipi di attrito:
- ATTRITO STATICO - Che si esercita tra due superfici FERME
a contatto tra loro
- ATTRITO RADENTE - Che si esercita tra due superfici
a contatto tra loro ma in movimento reciproco (strisciano l'una
sull'altra)
- ATTRITO VOLVENTE - Che si esercita tra una superficie ed
una corpo che ci "rotola" sopra (le ruote dell'auto sull'asfalto).
Nella formulazione classica, dovuta a Coloumb, si identifica un
numero detto "coefficiente di attrito" che si indica con la lettera
greca μ (si
legge mu) e vale la formula
con μ
indipendente dalla velocità,
dall'estensione della superficie di contatto.
In realtà queste
ipotesi non si sono dimostrate rigorosamente corrette, ma per
quanto interessa noi, che per ora ci occuperemo solo della
condizione di attrito statico, l'attrito "coloumbiano" è una
approssimazione lecita e funzionale del fenomeno.
Per i nostri esercizi la differenza rispetto a problemi come
quelli visti prima è che qui le due forze "normali" (cioè
perpendicolari tra loro) non sono più indipendenti, ma c'è una
relazione che le lega.
Parlando di attrito dobbiamo sempre considerare che la forza si
oppone ad un tentativo di muovere l'oggetto, pertanto il valore
FA =
μFN
è un valore MASSIMO.
Se lo si supera il corpo si muove, sino a che invece si esercita
una forza di intensità inferiore il corpo resta fermo.
Nella tabella a lato ho raccolto alcuni esempi di coefficienti
d'attrito tra materiali di uso comune. |
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I pneumatici delle auto di F1 hanno coefficienti d'attrito
superiori ad 1 - rientrano praticamente nel campo delle colle. |
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ATTRITO SU UN PIANO INCLINATO |
Facciamo subito un esempio tipico
di oggetto appoggiato su un piano inclinato.
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