Panoramica
Fisica definisce forza come un’influenza che cambia il movimento di un corpo, sia esso esterno o movimento o movimento all’interno del corpo, come ad esempio cambiare la sua forma. Ad esempio, quando una pietra viene rilasciata, cade perché è tirata dalla forza di gravità della Terra. Durante l’impatto, piega i fili d’erba su cui cade — la forza del peso della pietra li sta facendo muovere e cambiare forma.
La forza è un vettore, il che significa che ha una direzione. Quando diverse forze agiscono su un oggetto e lo tirano in direzioni diverse, queste forze possono essere in equilibrio, il che significa che la loro somma vettoriale è zero. In questo caso, l’oggetto sarebbe a riposo. La pietra dell’esempio precedente può rotolare dopo aver colpito il terreno, ma alla fine si fermerà. La forza di gravità lo sta ancora tirando verso il basso, ma allo stesso tempo la forza normale, o forza di reazione al suolo, sta spingendo la pietra verso l’alto. La somma netta di queste forze è zero, sono in equilibrio e la pietra non si muove.
L’unità di forza SI è il newton. Un newton corrisponde alla forza netta che accelera un oggetto con la massa di un chilogrammo di un metro al secondo quadrato.
Equilibrio
Uno dei primi scienziati a indagare le forze e a creare un modello della loro interazione con la materia nell’universo fu Aristotele. Secondo il suo modello, se la somma vettoriale netta delle forze che agiscono su un oggetto è zero, le forze sono nello stato di equilibrio e l’oggetto è stazionario. Questo modello è stato successivamente corretto per includere oggetti che si muovono a velocità costante quando le forze sono in equilibrio. Questo tipo di equilibrio è chiamato equilibrio dinamico, mentre quello con l’oggetto a riposo è chiamato equilibrio statico.
Forze fondamentali nell’Universo
Le forze in natura fanno sì che gli oggetti si muovano o restino al loro posto. Ci sono quattro forze fondamentali in natura: forte, elettromagnetica, debole e gravitazionale. Tutte le altre forze sono sottoinsiemi di queste quattro. A differenza delle forze elettriche e gravitazionali, le forze forti e deboli influenzano la materia solo a livello nucleare. Non funzionano su grandi distanze.
Forza forte
Forza forte è la più forte delle quattro forze. Agisce sugli elementi del nucleo dell’atomo, mantenendo neutroni e protoni insieme. Questa forza è trasportata dai gluoni e lega i quark insieme per formare particelle più grandi. I quark formano neutroni, protoni e altre particelle più grandi. I gluoni sono particelle elementari più piccole, che non hanno sottostruttura e si muovono tra i quark come portatori di forza. Il movimento dei gluoni crea una forte forza tra i quark. Questa è la forza che costituisce la materia nell’universo.
Forza elettromagnetica
La forza elettromagnetica è la seconda forza più forte. È un’interazione tra particelle con le cariche elettriche opposte o uguali. Quando due particelle hanno la stessa carica, cioè sono entrambe positive o entrambe negative, si respingono a vicenda. Se, d’altra parte, hanno la carica opposta, dove uno è positivo e uno è negativo, sono attratti l’uno dall’altro. Questo movimento di particelle, che sono respinti o attratti da altre particelle, è l’elettricità-un fenomeno fisico che usiamo nella nostra vita quotidiana e nella maggior parte della tecnologia.
La forza elettromagnetica può spiegare le reazioni chimiche, la luce e l’elettricità, così come le interazioni tra molecole, atomi ed elettroni. Queste interazioni tra particelle sono responsabili delle forme che gli oggetti solidi assumono nel mondo. La forza elettromagnetica impedisce a due oggetti solidi di permeare l’un l’altro perché gli elettroni in un oggetto respingono gli elettroni della stessa carica dell’altro oggetto. Storicamente le forze elettriche e magnetiche sono state trattate come influenze separate, ma alla fine si è scoperto che sono correlate. La maggior parte degli oggetti ha una carica neutra, ma è possibile modificare la carica di un oggetto strofinando due oggetti insieme. Gli elettroni viaggeranno tra i due materiali, essendo attratti dagli elettroni caricati in modo opposto nell’altro materiale. Ciò lascerà più degli stessi elettroni di carica sulla superficie di ciascun oggetto, cambiando così la carica dominante dell’oggetto nel suo complesso. Ad esempio, se uno strofina i capelli con un maglione e poi solleva il maglione, i capelli si alzeranno e “seguiranno” il maglione. Questo perché gli elettroni sulla superficie dei capelli sono attratti più dagli atomi sulla superficie del maglione che dagli elettroni sulla superficie del maglione sono attratti dagli atomi sulla superficie dei capelli. Anche i capelli o altri oggetti con carica simile saranno attratti dalle superfici con carica neutra.
Forza debole
La forza debole è più debole di quella elettromagnetica. Proprio come i gluoni portano la forza forte, i bosoni W e Z portano la forza debole. Sono particelle elementari che vengono emesse o assorbite. I bosoni W facilitano il processo di decadimento radioattivo, mentre i bosoni Z non influenzano le particelle con cui vengono a contatto, oltre a trasferire la quantità di moto. La datazione al carbonio, un processo per determinare l’età della materia organica, è possibile a causa della forza debole. Viene utilizzato per stabilire l’età dei manufatti storici e si basa sulla valutazione del decadimento del carbonio presente in questa materia organica.
Forza gravitazionale
La forza gravitazionale è la più debole delle quattro. Mantiene gli oggetti astronomici nelle loro posizioni nell’universo, è responsabile delle maree e fa cadere gli oggetti a terra quando vengono rilasciati. È la forza che agisce sugli oggetti, attirandoli l’un l’altro. La forza di questa attrazione aumenta con la massa dell’oggetto. Come le altre forze, si ritiene che sia mediata da particelle, gravitoni, ma queste particelle non sono state ancora rilevate. La gravitazione influenza il modo in cui gli oggetti astronomici si muovono e il movimento può essere calcolato in base alla massa degli oggetti circostanti. Questa dipendenza ha permesso agli scienziati di prevedere l’esistenza di Nettuno osservando il movimento di Urano prima che Nettuno fosse visto nel telescopio. Questo perché il movimento di Urano era incoerente con il suo movimento previsto, basato sugli oggetti astronomici conosciuti all’epoca, quindi gli scienziati hanno dedotto che un altro pianeta, ancora invisibile, deve influenzare i suoi modelli di movimento.
Secondo la teoria della relatività, la gravità cambia anche il continuum spaziotempo, lo spazio quadridimensionale, in cui tutto, compresi gli esseri umani, esiste. Secondo questa teoria, la curvatura dello spaziotempo aumenta con la massa, e per questo motivo, è più facile da notare con oggetti grandi come pianeti o maggiori in massa. Questa curvatura è stata dimostrata sperimentalmente e può essere vista quando vengono confrontati due orologi sincronizzati, dove uno è fermo e uno si muove per una distanza considerevole lungo un corpo con una grande massa. Ad esempio, se l’orologio viene spostato attorno all’orbita della terra, come nell’esperimento Hafele–Keating, allora il tempo che mostra sarà dietro l’orologio fisso, perché la curvatura dello spaziotempo fa sì che il tempo funzioni più lentamente per l’orologio in movimento.
La forza di gravità fa accelerare gli oggetti quando cadono verso un altro oggetto, e questo è evidente quando la differenza di massa tra i due è grande. Questa accelerazione può essere calcolata in base alla massa degli oggetti. Per gli oggetti che cadono verso la Terra, è di circa 9,8 metri al secondo quadrato.
Maree
Le maree sono esempi di forza gravitazionale in azione. Sono causati dalle forze gravitazionali della Luna, del Sole e della Terra. A differenza degli oggetti solidi, l’acqua può cambiare forma facilmente quando le forze agiscono su di essa. Pertanto, quando le forze gravitazionali della Luna e del Sole agiscono sulla Terra, la superficie del terreno non viene tirata da queste forze tanto quanto l’acqua. La Luna e il Sole si muovono attraverso il cielo, e l’acqua sulla Terra li segue, causando maree. Le forze che agiscono sull’acqua sono chiamate forze di marea; sono una varietà di forze gravitazionali. La Luna, essendo più vicina alla Terra, ha una forza di marea più forte rispetto al Sole. Quando le forze di marea del Sole e della Luna agiscono nella stessa direzione, la marea è la più forte e viene chiamata marea primaverile. Quando queste due forze sono in opposizione, la marea è la più debole e viene chiamata marea neap.
Le maree avvengono con una frequenza diversa a seconda dell’area geografica. Poiché la gravità della Luna e del Sole tira sia l’acqua che l’intero pianeta Terra, in alcune aree le maree si verificano sia quando la forza gravitazionale tira l’acqua e la Terra nella stessa o diverse direzioni. In questo caso, la coppia di alta e bassa marea avviene due volte in un giorno. In alcune aree, questo accade solo una volta al giorno. I modelli di marea sulla costa dipendono dalla forma della costa, dai modelli di marea dell’oceano profondo e dalla posizione della Luna e del Sole, nonché dall’interazione delle loro forze gravitazionali. In alcune località, la durata del tempo tra le maree può durare fino a diversi anni. A seconda della costa e della profondità dell’oceano, le maree possono causare correnti, tempeste, cambiamenti nei modelli del vento e fluttuazioni della pressione dell’aria. Alcuni luoghi usano orologi speciali per calcolare quando accadrà la prossima marea. Sono configurati in base agli eventi di marea nell’area e devono essere riconfigurati quando spostati in un’altra posizione. In alcune zone gli orologi di marea non sono efficaci perché le maree non possono essere previste facilmente lì.
La forza di marea che sposta l’acqua da e verso la riva viene talvolta utilizzata per generare energia. I mulini di marea hanno usato questa forza per secoli. La costruzione di base ha un serbatoio d’acqua, e l’acqua viene fatta entrare con l’alta marea e fuori con la bassa marea. L’energia cinetica dell’acqua che scorre muove la ruota del mulino e la potenza generata viene utilizzata per eseguire lavori, ad esempio macinare i grani in farina. Mentre ci sono una serie di problemi con questo sistema, compresi i pericoli per l’ecosistema in cui è costruito questo mulino, questo metodo di generazione di energia ha un potenziale, perché è una fonte di energia rinnovabile e affidabile.
Forze non fondamentali
Le forze che sono derivate delle forze fondamentali sono chiamate forze non fondamentali.
Forza Normale
Una delle non forze fondamentali: la forza normale, che agisce perpendicolarmente alla superficie dell’oggetto e spinge verso l’esterno, resistendo alla pressione da parte di altri oggetti. Quando un oggetto viene posizionato su una superficie, l’entità della forza normale è uguale alla forza netta che preme contro la superficie. Su una superficie piana, quando forze diverse dalla gravità sono in equilibrio, la forza normale è uguale alla forza gravitazionale in grandezza e opposta in direzione. La somma vettoriale delle due forze è quindi zero e l’oggetto è fermo o in movimento a velocità costante. Quando l’oggetto è su una pendenza e altre forze sono in equilibrio, la somma delle forze gravitazionali e normali punta verso il basso (ma non direttamente verso il basso, perpendicolare all’orizzonte), e l’oggetto scivola verso il basso, lungo la pendenza.
Attrito
L’attrito è una forza parallela alla superficie di un oggetto e opposta al suo movimento. Si verifica quando due oggetti scivolano l’uno contro l’altro (attrito cinetico) o quando un oggetto stazionario viene posizionato su una superficie inclinata (attrito statico). Questa forza viene impiegata quando si impostano oggetti in movimento, ad esempio, le ruote si aggrappano al terreno a causa dell’attrito. Senza di essa, non sarebbero stati in grado di spingere i veicoli. L’attrito tra la gomma dei pneumatici e il terreno è abbastanza forte da garantire che i pneumatici non scivolino lungo il terreno e consenta il movimento di rotolamento e un migliore controllo della direzione del movimento. L’attrito di un oggetto volvente, l’attrito volvente o la resistenza al rotolamento, non è forte come l’attrito secco di due oggetti che scivolano l’uno contro l’altro. L’attrito viene utilizzato nell’arresto con l’uso di rotture: le ruote di un veicolo sono rallentate dall’attrito a secco nei freni a disco o a tamburo. In alcuni casi, l’attrito è indesiderabile perché rallenta il movimento e consuma i componenti meccanici. Liquidi o superfici lisce vengono utilizzati per ridurre al minimo l’attrito.
Curiosità sulle forze
Le forze possono deformare oggetti solidi o modificare volume e pressione in liquidi e gas. Ciò accade quando le forze vengono applicate in modo non equo a diverse parti dell’oggetto o della sostanza. In alcuni casi, quando viene applicata una forza sufficiente a un oggetto pesante, può essere compresso in una sfera molto piccola. Se questa sfera è abbastanza piccola, più piccola di un certo raggio, si può formare un buco nero. Questo raggio è chiamato raggio di Schwarzschild. Varia in base alla massa dell’oggetto e può essere calcolato utilizzando una formula. Il volume di questa sfera è così piccolo, che rispetto alla massa dell’oggetto, è quasi zero. Poiché la massa dei buchi neri è così altamente condensata, hanno un’attrazione gravitazionale estremamente elevata, in modo che altri oggetti non possano sfuggire e nessuno dei due possa illuminarsi. I buchi neri non riflettono alcuna luce, quindi sembrano essere completamente neri. Questo è il motivo per cui sono chiamati buchi neri. Gli scienziati ritengono che le grandi stelle alla fine della loro vita si trasformino in buchi neri e possano crescere in massa assorbendo altri oggetti che si trovano all’interno di un determinato raggio.
