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Le forze applicate

Peso, reazione del vincolo, spinta e attrito: come metterle insieme in un unico schema e capire se il corpo si muove.

Al termine di questa lezione saprai

1. Una cassa ferma, quattro forze

Una cassa appoggiata sul pavimento sembra la situazione più noiosa del mondo: non succede niente. In realtà su quella cassa sono già all'opera diverse forze, e se qualcuno comincia a spingerla diventano quattro. Il metodo per non perdersi è sempre lo stesso e si chiama diagramma di corpo libero: si isola il corpo dal resto del mondo e si disegnano tutte e sole le forze applicate a quel corpo.

P (peso) N (reazione del piano) F (spinta) Fa (attrito)

Tutte le forze si disegnano applicate al corpo, non alle superfici che le producono.

Le quattro forze si dividono naturalmente in due gruppi: due sono verticali (il peso e la reazione del piano), due sono orizzontali (la spinta e l'attrito). Questa separazione non è un caso: è la chiave del metodo, perché permette di trattare le due direzioni come due problemi indipendenti.

2. Il peso e la reazione vincolare

Il peso è la forza con cui la Terra attira il corpo. È sempre diretto verticalmente verso il basso e il suo modulo si calcola con il secondo principio applicato alla caduta libera.

P = m · g Con g ≈ 9,8 m/s². Nei conti rapidi si usa spesso g ≈ 10 m/s², e va benissimo.

Se sul corpo agisse solo il peso, il corpo cadrebbe. Non cade perché il pavimento lo sostiene: questa spinta verso l'alto si chiama reazione vincolare e si indica con N. È una forza passiva, nel senso che il pavimento non «decide» quanto spingere: si deforma impercettibilmente sotto il carico e reagisce esattamente quanto serve, come farebbe una molla rigidissima.

La reazione vincolare è sempre perpendicolare alla superficie di appoggio — per questo si indica con N, da «normale», che in geometria significa proprio perpendicolare.

N e P non sono azione e reazione

È l'equivoco più frequente. P e N sono due forze applicate allo stesso corpo, la cassa: sono uguali e opposte perché la cassa è in equilibrio verticale, non per il terzo principio. La vera reazione del peso è l'attrazione che la cassa esercita sulla Terra; la vera reazione di N è la spinta della cassa sul pavimento. La prova? Se il pavimento fosse un ascensore in accelerazione, N non sarebbe più uguale a P — mentre una coppia azione-reazione è uguale e opposta sempre.

3. L'equilibrio verticale

La cassa non sprofonda e non si solleva: verticalmente è in equilibrio. Scriviamo allora la condizione ΣF = 0 limitandoci alla direzione verticale, prendendo come positivo il verso verso l'alto.

ΣFverticali = N − P = 0  ⇒  N = P = m · g Vale su un piano orizzontale quando non ci sono altre forze verticali.

Ecco il pezzo che mancava nella lezione sull'attrito: la forza premente N, quella che compare nelle formule dell'attrito, su un piano orizzontale è semplicemente il peso del corpo. Da qui in avanti puoi calcolare l'attrito partendo dalla massa.

Quando N non è uguale a P

Se qualcuno preme sulla cassa dall'alto con una forza aggiuntiva, N aumenta e con essa l'attrito. Se invece tiri la cassa con una fune inclinata verso l'alto, una parte della tua forza solleva il corpo, N diminuisce e l'attrito cala: è il motivo per cui una valigia si trascina più facilmente tirandola per il manico obliquo che spingendola orizzontalmente.

4. L'equazione orizzontale: parte o non parte?

Passiamo all'altra direzione. Qui le forze in gioco sono due, la spinta F e l'attrito Fa, e qui si decide tutto. Prendendo come positivo il verso della spinta:

ΣForizzontali = F − Fa Se il risultato è zero il corpo non cambia stato di moto; se è diverso da zero, accelera.

Ricorda però che l'attrito statico si adatta. Ci sono quindi tre situazioni possibili, e distinguerle è l'abilità da acquisire.

Condizione sulla spinta Che cosa fa l'attrito Che cosa fa il corpo
F < μs · N vale esattamente F resta fermo: risultante nulla
F = μs · N è al suo massimo è sul punto di partire
F > μs · N diventa dinamico: μd · N accelera, con a = (F − μd · N) / m

Nota il salto che avviene nella terza riga: appena il corpo si muove, l'attrito diminuisce, perché μd è minore di μs. La risultante cresce di colpo e la cassa parte con uno strappo. È la stessa sensazione che provi spingendo un mobile pesante: resiste, resiste, poi scatta via all'improvviso.

5. Un esercizio completo

Il problema

Una cassa di massa 30 kg è ferma su un pavimento. I coefficienti di attrito valgono μs = 0,40 e μd = 0,25. La spingiamo orizzontalmente con una forza di 150 N. La cassa si muove? E con quale accelerazione? (Usa g = 9,8 m/s².)

Passo 1 — La direzione verticale. Calcoliamo il peso e da questo la forza premente:

P = m · g = 30 · 9,8 = 294 N, e poiché il piano è orizzontale e non ci sono altre forze verticali, N = 294 N.

Passo 2 — La soglia di distacco. Il massimo attrito statico vale:

μs · N = 0,40 · 294 = 117,6 N.

La spinta di 150 N supera questa soglia, quindi la cassa si muove.

Passo 3 — L'attrito durante il moto. Ora vale il coefficiente dinamico:

Fa = μd · N = 0,25 · 294 = 73,5 N.

Passo 4 — La risultante e l'accelerazione.

R = F − Fa = 150 − 73,5 = 76,5 N, quindi a = R / m = 76,5 / 30 = 2,55 m/s².

L'errore da non fare al passo 4

Non usare μs per calcolare l'attrito durante il moto. Il coefficiente statico serve soltanto a stabilire se il corpo parte; una volta partito, entra in gioco quello dinamico. Chi confonde i due ottiene un'accelerazione troppo piccola, o addirittura negativa.

Vai in laboratorio

Nella simulazione Risultante delle forze su piano orizzontale puoi regolare la spinta e osservare tutte le forze disegnate sul blocco. Aumenta la spinta molto lentamente e guarda il vettore dell'attrito: lo vedrai crescere insieme alla spinta e poi, di colpo, accorciarsi nell'istante in cui il blocco parte.

In sintesi

Verifica se hai capito

1. Una cassa di 10 kg sta su un pavimento. Quanto vale la reazione vincolare? (g = 9,8 m/s²)

N = m · g = 10 · 9,8 = 98 N, diretta verticalmente verso l'alto. Il piano è orizzontale e non ci sono altre forze verticali, quindi N coincide con il peso.

2. Sulla stessa cassa μs = 0,5. Con una spinta orizzontale di 40 N che cosa succede?

La soglia vale 0,5 · 98 = 49 N, superiore ai 40 N della spinta: la cassa resta ferma. In quell'istante l'attrito statico vale esattamente 40 N, non 49 N, perché si adatta alla spinta.

3. Perché conviene tirare una valigia con il manico inclinato verso l'alto anziché spingerla in orizzontale?

Perché una parte della forza che applichi ha verso verso l'alto e alleggerisce l'appoggio: N diminuisce, e con N diminuisce anche l'attrito, che è proporzionale ad essa. Ne perdi un po' in spinta orizzontale, ma ne guadagni di più in attrito risparmiato.

4. Un corpo viene spinto e si muove a velocità costante. Che relazione c'è fra spinta e attrito?

Sono uguali in modulo e opposte in verso: la risultante è nulla, perché velocità costante significa accelerazione nulla. La spinta in questo caso vale esattamente μd · N.

5. Perché nel diagramma di corpo libero non si disegna la forza che la cassa esercita sul pavimento?

Perché non è applicata alla cassa, ma al pavimento. Nel diagramma di un corpo entrano solo le forze che subisce, mai quelle che esercita. Disegnarle entrambe è l'errore che fa sempre risultare ogni corpo in equilibrio.

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