“Essere forti come un leone”, “ciò che non uccide, fortifica”, “che la forza sia con te”… quante volte abbiamo detto o sentito queste frasi! Ma quanti saprebbero dare una descrizione alla parola forza? Molti la collegherebbero alla forza fisica di una persona, ma non basta. È proprio dallo studio delle forze che è nata la fisica come oggi la conosciamo, ossia quella disciplina che cerca di descrivere tutto ciò che ci circonda, dalla caduta di un fiocco di neve a come funziona il nostro sistema solare.
Il tutto ha inizio grazie all’ingegno dell’italiano Galileo Galilei e dell’inglese Isaac Newton. Siamo nel XVII secolo quando quest’ultimo dà una prima descrizione scientifica delle forze attraverso la formulazione delle cosiddette tre leggi della dinamica:
- un corpo A rimane fermo o continua a muoversi fin quando una forza non interagisce con lui;
- la forza che agisce su un corpo A, modificandone il moto, è definita come il prodotto tra la massa del corpo A e l’accelerazione con cui A si sta muovendo;
- quando un corpo A interagisce con una forza su un corpo B, A riceverà una forza uguale, ma contraria a quella esercitata su B.
Vediamo più nel dettaglio che cosa significano. Per spiegare meglio la terza legge, pensiamo di andare sugli autoscontri: la nostra macchina A va avanti per la sua strada fino a quando non si scontra con la macchina B, causando un cambiamento di direzione che dipende dalle due rispettive accelerazioni. Questo effetto viene anche chiamato principio di azione e reazione: alla nostra azione (urto), segue una reazione uguale e contraria (si viene spinti verso un’altra direzione).
La seconda legge si descrive con questa formula matematica: F = m * a, dove m è la massa del corpo che si sta muovendo, mentre a è l’accelerazione (se stiamo andando sempre più veloci significa che stiamo accelerando).
Come ben sappiamo, quando si lascia senza supporto un oggetto, questo cadrà grazie alla gravità della Terra. In questo caso, l’accelerazione a ha un valore determinato, pari a 9,8 m/s2. Quindi la Terra esercita su di noi una forza attrattiva che viene chiamata forza peso che ci impedisce di librarci in aria. Anche se andassimo sulla Luna sentiremmo su di noi questo tipo di forza, ma più debole: lì, infatti, l’accelerazione di gravità è circa un sesto di quella terrestre, mentre su Giove, ad esempio, è 2,5 volte tanto. Pertanto una persona di 80 kg, peserà circa 190 kg su Giove mentre sulla Luna appena 13 kg.
Questo esempio ci permette di capire la differenza tra massa e peso. La massa è la misura della quantità di materia di cui è fatto un oggetto, mentre il peso è la forza che agisce sull’oggetto e che dipende dall’accelerazione di gravità (sulla Terra il già citato 9,8 m/s2). Quando infatti siamo su una bilancia bisognerebbe dire che “abbiamo una massa di tot kg” invece che “pesiamo tot kg”.
Non solo i pianeti esercitano questa forza attrattiva, ma anche noi con le persone e le cose che ci circondano. Solo che abbiamo masse decisamente più piccole di questi pianeti, per cui il valore di questa forza è praticamente nullo e quindi tutti gli oggetti cadono con la stessa accelerazione.
Infine, la prima legge della dinamica ci dice che se si sta fermi o in movimento si rimarrà in questo stato finché qualcun’altro non ci urterà (passando così alla terza legge della dinamica). Una domanda ora può sorgere spontanea: se si fa rotolare un pallone su un campo, come mai questo si fermerà senza che nessuno gli sia andato contro? Ciò accade perché sulla nostra palla rotolante, il terreno sta esercitando un tipo di forza chiamata attrito.
Se da una parte l’attrito è antipatico perché ci fa andare più lenti, dall’altra ci permette di camminare e quindi di muoverci. Senza questa forza, infatti, continueremmo a scivolare! Un po’ come accade quando si va a pattinare sul ghiaccio.
L’attrito, infatti, dipende dal tipo di terreno su cui ci si sta muovendo: una palla rotolerà più a lungo su una lastra di ghiaccio che sulla strada, e ancora meno sulla sabbia. Quindi più rugoso e irregolare è il terreno, prima un oggetto in moto si fermerà.
Anche l’aria esercita una forza di attrito: una palla di piombo cadrà più velocemente di una piuma ma, secondo voi, cosa accadrebbe se li facessimo cadere senza la presenza dell’aria?
Scoprilo guardando questo esperimento sulla caduta dei gravi nel vuoto:
Questo esperimento, probabilmente teorizzato da Galileo, permise di capire come l’accelerazione di gravità non dipenda dalla massa dell’oggetto e ne venne data prova nel 1971 durante la missione spaziale Apollo 15. Tre secoli dopo Galileo, ma quasi 70 anni prima della missione spaziale, Albert Einstein riprese questo concetto e lo ampliò attraverso la sua teoria della relatività.
Attraverso esempi di vita quotidiana, siamo riusciti a comprendere meglio le tre leggi della dinamica, ma quelle qua descritte non sono altro che una piccola parte delle forze che esistono e usiamo ogni giorno. C’è anche quella esercitata da una molla e da una corda in tensione, l’attrito si può classificare in diversi tipi e poi ci sono forze che non vediamo, come quelle a livello atomico. Ma questa è un’altra storia!
ATTIVITÀ DIDATTICHE
Prova a far applicare alla tua classe le leggi della dinamica e i diversi tipi di forza con dei semplici esperimenti. Ti serviranno solo delle biglie:
– Far scontrare una biglia ferma da una in movimento, poi far scontare due biglie entrambe in movimento. In questo modo applicherete la prima e la terza legge della dinamica.
– Far scorrere una biglia su superfici di tipo diverso, come il banco, la carta, il vetro, la sabbia ecc.
– Far cadere diversi oggetti o lo stesso oggetto con forma diverse (es. foglio di carta piano e stropicciato) dalla stessa altezza.