fòrza (fisica)

Definizione

Causa che tende a modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo o a produrre una deformazione dei vincoli che impediscono al corpo di muoversi.

Cenni storici

La nozione di forza ha subito profondi mutamenti nel corso della storia del pensiero filosofico e scientifico. Aristotele concepì la forza sia come un'entità insita nella materia, sia come emanazione da una sostanza a un'altra che, ingenerando pressioni e tensioni, sarebbe in grado di spiegare il moto dei corpi. Nonostante alcuni contributi della filosofia antica e medievale, è solo con Keplero che il concetto di forza acquista nuova e moderna caratterizzazione; nell'Astronomia Nova (1609), infatti, egli pervenne a una precisa definizione della forza, rappresentata come una relazione matematica che si suppone esista in un dato sistema fisico. Su questa linea si mosse Newton, che nelle tre leggi fondamentali del moto, poste all'inizio dei Principia(1687), diede la definizione più completa della forza come causa dell'accelerazione dei corpi, capace anche, secondo la teoria della gravitazione universale, di far sentire i suoi effetti a distanza nel vuoto. L'impostazione newtoniana, nonostante il notevole successo conseguito, andò incontro a gravi obiezioni d'indole filosofica proprio per quanto riguarda le idee di forza come causa e di forza a distanza. G. Berkeley e D. Hume sostennero che la parola forza è solo una comoda finzione concettuale che non trova riscontro nella realtà. Seguendo quest'indirizzo, G. Kirchhoff, G. Hertz e E. Mach tentarono di liberare la meccanica dalla nozione di forza ritenuta oscura e del tutto inessenziale. I dibattiti scaturiti in questo contesto spinsero ad approfondire il problema delle origini psicologiche del concetto di forza già individuate da T. Reid nella coscienza che l'individuo ha dello sforzo muscolare occorrente per provocare determinati effetti nel mondo esterno. Tale indirizzo di studi portò a dare sempre maggiore importanza al concetto di forza sino a sostenere, agli inizi del sec. XX con W. James, che esso, lungi dall'essere una mera finzione, rappresenta una di quelle idee universali che sono alla base della conoscenza intellettuale. Il concetto di forza presente nella fisica moderna è ormai del tutto privo di ogni caratterizzazione ontologica.

Tipi di forze

Le forze sono grandezze vettoriali, in quanto di esse si possono considerare intensità, punto di applicazione, direzione e verso; vengono pertanto rappresentate mediante vettori. Valgono per le forze tutte le regole del calcolo vettoriale nelle regole di composizione e scomposizione delle forze, nelle definizioni di momento di una forza, di coppia di forze, di campo di forze ecc. L'unità di misura della forza nel sistema internazionale (SI) è il newton (simbolo N), mentre nel sistema CGS è la dina. All'inizio del sec. XX erano conosciuti solo due tipi sostanzialmente diversi di forze alle quali erano riconducibili tutte le altre, qualunque nome assumessero: la forza gravitazionale e la forza elettromagnetica. La teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell aveva portato a riconoscere che la forza elettrica e la forza magnetica erano aspetti diversi di un'unica forza, la forza elettromagnetica. Nella teoria della relatività generale di A. Einstein, le forze gravitazionali vengono considerate forze apparenti, della stessa natura delle forze centrifughe, osservabili solo in particolari sistemi di riferimento. Einstein perseguì per molto tempo il progetto di estendere alle forze elettromagnetiche (nelle teorie di campo unificato) i principi che lo avevano portato alla grande sintesi tra gravitazione e geometria. In questa direzione non ottenne però alcun risultato di rilievo. Nel frattempo venivano scoperti altri due tipi di forze apparentemente assai diverse sia dalle forze gravitazionali, sia dalle forze elettromagnetiche: la forza nucleare debole, responsabile dei fenomeni di radioattività, e la forza nucleare forte, origine del legame che tiene uniti i nucleoni all'interno del nucleo atomico. I progressi della meccanica quantistica e l'introduzione del concetto di forza di scambio hanno portato alla formulazione di due teorie molto feconde sotto l'aspetto della capacità di spiegare la maggior parte dei fenomeni noti e di prevederne degli altri: l'elettrodinamica quantistica (QED) e la cromodinamica quantistica (QCD). In entrambe queste teorie le forze sono interpretate come scambio di particelle tra gli enti sui quali agiscono. Per questa ragione, in fisica delle particelle fondamentali, il termine forza, usato nella fisica classica, è stato sostituito dal termine interazione. Anche il termine interazione di scambio è preferito a quello di di scambio. "Per approfondire Vedi Gedea Astronomia vol. 1 pp 314-317" "Per approfondire Vedi Gedea Astronomia vol. 1 pp 314-317" .

Forze centrali

Sono forze applicate a un oggetto materiale mobile, tali che la retta di applicazione passa sempre per un punto fisso. È, per esempio, centrale la forza gravitazionale cui è sottoposta la Terra che si trova nel campo di forze del Sole; è centrale la forza elettrostatica cui è sottoposto un elettrone in orbita attorno a un nucleo atomico; queste sono anche dette forze centripete. L'azione delle forze centripete tende a curvare la traiettoria di un corpo che, per il principio di inerzia, in loro assenza, si muoverebbe di moto rettilineo uniforme. Un osservatore che assuma come sistema di riferimento un sistema sottoposto a una forza centripeta (per esempio un viaggiatore su un treno che effettua una curva, caso in cui la forza centripeta è dovuta alla reazione vincolare delle rotaie) crede di essere soggetto a una forza uguale e contraria alla forza centripeta, forza che è detta forza centrifuga. Le forze centrifughe non rappresentano azioni fisiche reali e sono pertanto dette forze apparenti, o forze di inerzia. Esse compaiono ogni volta che un osservatore riferisca le sue misurazioni a un sistema non inerziale. Tali forze sono prese in considerazione nell'ambito della meccanica relativa e si distinguono in forze di trascinamento e forze centrifughe composte, quest'ultime anche dette forze di Coriolis.

Forze in un moto rotatorio

In particolare, in un moto rotatorio, facendo riferimento a una terna di assi cartesiani solidale con le stelle fisse, quando si consideri una terna in moto relativamente a questa, con moto rotatorio uniforme caratterizzato da una velocità angolare ω costante, un punto P possiederà un'accelerazione di trascinamento della forma seguente: a_s=-ω² (P-C), dove C è il piede della perpendicolare condotta da P sull'asse di rotazione. La forza F_s, definita dalle leggi fondamentali della dinamica, che compete all'accelerazione a_s, avrà la forma F_s=mω² (P-C), dove m è la massa del punto materiale P. La forza apparente F_s si dice centrifuga, in quanto il suo verso si dirige, perpendicolarmente all'asse di rotazione, verso l'esterno di questo. Sempre nel moto relativo rotatorio descritto, è detta forza centrifuga composta la forza che corrisponde all'accelerazione complementare. La sua forma sarà

dove ω è costante. Per entrambe queste forze, se si muta il riferimento, passando a un osservatore fisso, il movimento del punto al quale esse si applicano è inerziale: le forze possono cioè venire eliminate da un punto di vista concettuale semplicemente applicando le formule di trasformazione tra osservatori in moto relativo.

Forza elettromotrice

Il termine forza viene anche usato in modo improprio per indicare entità che non sono forze nel senso precedentemente definito (per esempio forza elettromotrice, forza controelettromotrice ecc.). Si dice forza elettromotrice (simbolo FEM) la differenza di potenziale misurabile a circuito aperto ai morsetti di un generatore (dinamo, alternatore, pila, coppia termoelettrica); essa coincide, a circuito chiuso, con il rapporto P/i fra la potenza elettrica totale P erogata dal generatore (compresa quella consumata all'interno del generatore per effetto Joule) e la corrente i. Si misura in volt. Particolari forze elettromotrici sono le forze elettromotrici di induzione e le forze controelettromotrici (simbolo FCEM) che si hanno nei fenomeni di autoinduzione. In elettronica, la forza elettromotrice di contatto è la forza elettromotrice che si sviluppa quando vengono posti in contatto due metalli diversi. Tale forza elettromotrice è dovuta alla differenza tra i livelli di Fermi dei due metalli: infatti, il livello di Fermi, definito come livello che ha probabilità 0,5 di essere occupato, deve essere identico nei due metalli una volta avvenuto il contatto e l'equilibrio viene raggiunto con lo spostamento di elettroni da un metallo all'altro e un conseguente sbilanciamento elettrostatico. Tali forze elettromotrici non sono utilizzabili per costituire dei generatori di tensione perché in un circuito chiuso la loro sommatoria è sempre nulla, eccettuando il caso in cui il circuito viene a trovarsi in equilibrio termico: in tal caso si sviluppa una corrente finita (effetto termoelettrico diretto o effetto Seebeck).

R. Dugas, Histoire de la mécanique, Parigi, 1950; M. Jammer, Concepts of Force, Cambridge, 1957; D. Halliday, R. Resnick, Fisica, vol. I, Milano, 1970; J. Orear, Fisica generale, vol. I, Bologna, 1971; F. Degan, Meccanica razionale, Padova, 1989.