di Silvia Pugliese Jona
Glossario
asse di rotazione = la retta intorno a cui girano tutti i punti di un corpo che ruota su se stesso: esempio tipico l’asse di rotazione della Terra. Nei dispositivi di uso comune l’asse di rotazione è spesso materializzato da un’asta metallica.
attrito = forza che si manifesta quando due corpi aventi velocità diverse strisciano uno sull’altro. Per i solidi è causata sopratutto da deformazioni microscopiche di tipo elastico degli strati superficiali. Per i fluidi è causato sopratutto da fenomeni di aderenza e di trascinamento a livello molecolare.
baricentro = centro di gravità. È un punto in cui, agli effetti statici e dinamici, si può immaginare concentrato tutto il peso del corpo. La sua posizione coincide con quella della risultante delle forze parallele corrispondenti ai pesi delle varie parti del corpo. Per effettuare i calcoli si devono conoscere le intensità e i punti di applicazionedi tali forze. Il baricentro non fa necessariamente parte del corpo: p.es. il baricentro di un anello è localizzato all’interno del foro.
braccio = distanza tra la retta d’azione della forza applicata e la retta parallela passante per un punto, di solito (ma non obbligatoriamente) identificato con l’asse di rotazione o fulcro. Si ricorda che per misurare la distanza tra due rette parallele il segmento che le unisce dev’essere perpendicolare ad esse.
braccio di leva = locuzione di uso comune riferita alle leve, usata per indicare la distanza delle forze dal fulcro. P.es: “per fare meno fatica bisogna aumentare il braccio di leva”.
componente (di un vettore) = parola appartenente alla matematica dei vettori. Come un numero può essere scomposto in addendi, così un vettore può essere scomposto in componenti che, addizionati con le giuste regole, restituiscono il vettore di partenza. L’utilità di scomporre un vettore in componenti per capire i meccanismi di una certa azione è illustrata dal seguente esempio: per asportare un’incrostazione da una superficie si esercita una forza obliqua con una spazzola. La componente di questa forza perpendicolare alla superficie produce un contatto efficace; la componente parallela fa avanzare la spazzola contro la forza d’attrito.
coppia di forze = sistema costituito da due forze parallele, di uguale intensità, dirette in versi opposti. Le forze necessarie per l’equilibrio di un corpo girevole o per provocarne la rotazione vengono sempre a coppie. In alcuni casi una delle due forze può essere poco evidente: per esempio se essa è esercitata dal vincolo. In altri casi, per esempio quando giriamo una chiave o apriamo un rubinetto, l’esistenza di una coppia di forze è manifesta.
cuneo = attrezzo appuntito a sezione triangolare utilizzato tipicamente per aprire e allargare buchi e fessure. Per facilitarne la penetrazione la forza motrice primaria dev’essere diretta in modo da generare una forte pressione in corrispondenza della punta.
dinamometro = strumento per misurare le intensità delle forze. I dinamometri usati nei laboratori delle scuole si basano sull’elasticità di una molla la cui estensione dipende dalla forza secondo una legge di proporzionalità diretta tra intensità e deformazione (legge di Hooke).
direzione e verso di un vettore = la direzione è definita dalla retta su cui giace il vettore e da tutte le sue parallele, prescindendo dal verso. In ogni direzione si distinguono infatti due versi opposti. Scelto a piacere il verso positivo, le intensità dei vettori che puntano in quel verso sono rappresentate da numeri positivi, quelle dei vettori che puntano in verso opposto da numeri negativi.
energia cinetica = energia dei corpi in moto, direttamente proporzionale alla massa e al quadrato della velocità. Se il corpo si sposta senza ruotare (energia cinetica di traslazione) tutti i suoi punti hanno la stessa velocità e il calcolo, Ecin=1/2 mv2, è immediato. Se il corpo ruota su se stesso le velocità delle sue parti cambiano secondo la distanza dal centro della rotazione. Il calcolo dell’energia cinetica di rotazione è reso complicato dal fatto di dover tener conto di com’è distribuita la massa intorno all’asse di rotazione.
energia potenziale = energia immagazzinata in virtù di un’allontanamento di corpi (o particelle) che si attirano o un avvicinamento di corpi che si respingono. Sono energie tipiche dei fenomeni meccanici: l’energia potenziale gravitazionale dei corpi che vengono allontanati da terra e l’energia potenziale elastica dei corpi sottoposti a sollecitazioni che alterano in modo reversibile le distanze tra i loro componenti microscopici, atomi o molecole.
equilibrio = condizione dei corpi soggetti a sistemi di forze tali per cui o non si muovono o si muovono con velocità costante rispetto al sistema di riferimento spaziale da cui li si osserva. Di norma nelle proposte di questa sezione di GEI il sistema di riferimento spaziale è quello terrestre.
eq. indifferente = condizione dei corpi vincolati il cui equilibrio si mantiene se vengono spostati o ruotati (esempi: un oggetto sferico su un piano orizzontale, un righello infulcrato nel suo baricentro). La nozione di equilibrio indifferente è collegata con quella di energia potenziale: l’equilibrio di un corpo vincolato è indifferente se i possibili spostamenti non alterano l’altezza dal suolo del suo baricentro e quindi la sua energia potenziale gravitazionale.
eq. instabile = condizione dei corpi vincolati in equilibrio che, se spostati o ruotati si portano in una situazione di equilibrio diversa dalla precedente (esempio: un’asta infulcrata a un estremo con il baricentro verticalmente sopra il fulcro). La nozione di equilibrio instabile è collegata con quella di energia potenziale: l’equilibrio di un corpo vincolato è instabile se i possibili spostamenti abbassano il suo baricentro facendo diminuire la sua energia potenziale gravitazionale.
eq. stabile = concetto applicato a corpi vincolati in equilibrio che, se spostati o ruotati ritornano alla situazione di equilibrio iniziale (esempio: un pendolo). La nozione di equilibrio stabile è collegata con quella di energia potenziale: l’equilibrio di un corpo vincolato è stabile se i possibili spostamenti fanno aumentare la sua energia potenziale.
fisiologia muscolare = per ciò che qui interessa, basta ricordare che la contrazione dei muscoli è comandata da impulsi elettrici trasmessi dai nervi. Gli impulsi e le relative contrazioni richiedono energia e si ripetono periodicamente per la durata dello sforzo.
forza = grandezza fisica a cui si attribuisce il ruolo di causa dei cambiamenti che intervengono in un corpo - deformazioni, variazioni di velocità - dovuti alle sue interazioni con altri corpi. Se il corpo è in equilibrio nel riferimento terrestre la risultante delle forze che su esso agiscono vale zero. Se è vincolato le forze d’interazione producono deformazioni locali la cui entità dipende dalla natura del corpo stesso. Se i corpi interagenti sono due e liberi di muoversi la conseguenza è, per entrambi, un cambiamento di velocità di entità inversamente proporzionale alle rispettive masse.
forza motrice, forza resistente = in un’interazione il cui risultato è di produrre movimento la forza motrice è esercitata dall’elemento che fornisce energia; la forza resistente è esercitata dall’elemento che acquista energia.
forza peso = forza dovuta all’interazione gravitazionale tra un corpo e il corpo celeste su cui esso si trova (la Terra ma anche la Luna, Marte... Vedi la frase “sulla Luna gli oggetti pesano meno che sulla Terra”)
fulcro = centro di rotazione dei corpi girevoli.
grandezza fisica = nome generico che indica ciò che è misurabile nell’ambito del mondo materiale. Le grandezze fisiche si distinguono in scalari e vettoriali. Le grandezze scalari sono completamente note conoscendone la misura (un numero) e l’unità di misura. Per descrivere in modo completo una grandezza vettoriale occorre conoscerne anche direzione e verso.
incertezza (o errore) = permette di valutare la precisione delle misure. Il valore dell’incertezza dipende dalle condizioni in cui si è svolta la misurazione e dalla sensibilità degli strumenti di misura adoperati. L’incertezza può essere espressa come assoluta o relativa (o percentuale).
L’incertezza assoluta ha la stessa unità di misuradella misura a cui si riferisce: p.es. scrivere che, tenendo conto delle incertezze di lettura (circa 0,5 mm a ciascun estremo), un segmento misurato con una riga millimetrata è lungo (200 ± 1)mm informa il lettore che esso è compreso tra 199 e 201 mm e che non si è potuto (o non si è ritenuto necessario) specificarne meglio il valore.
L’incertezza relativa e l’incertezza percentuale sono numeri puri (adimensionali) e consentono di confrontare le precisioni di misure diverse. Per esempio, l’incertezza relativa della misura del segmento vale [1 mm/200 mm] = 0,05 (che equivale a 5%): l’incertezza relativa (o percentuale) di una misura 10 volte più precisa sarebbe 0,005 ovvero 0,5%.
intensità (o modulo) = riferito alle grandezze vettoriali, è il valore della loro misura: p.es. per le forze, 400 newton, 12 kgp, 20gp; per gli spostamenti, 3 m, 10 cm, 50 km... Nella rappresentazione vettoriale delle grandezze fisiche, l’intensità è rappresentata secondo una scala opportuna dalla lunghezza del relativo vettore.
interazione = in meccanica due corpi interagiscono quando esercitano forze reciproche. Per fare questo non è indispensabile il contatto*: l’attrazione gravitazionale è un importante esempio di forza a distanza. Le forze reciprocamente esercitate dai corpi che interagiscono hanno uguale intensità, verso opposto e stanno sulla stessa retta d’azione (3° legge della dinamica anche detta “di azione e reazione”).
* Il “contatto” è un concetto relativo. Dal punto di vista microscopico le forze di contatto sono dovute a repulsione elettrica che agisce a brevissima distanza.
kgp (pronunciato chilogrammo-peso) = unità di misura di forza appartenente al sistema pratico (ufficialmente abolito e sostituito dal sistema S.I.). Il kgp è definito come la forza con cui è attratta verso terra la massa di 1 kg (1 dm3 d’acqua distillata alla temperatura di 4°C) in un luogo dove l’accelerazione di gravità vale 9,80665 m/s2.
lavoro = una forza compie lavoro se produce un effetto (anche solo parziale) nella direzione del proprio spostamento: il lavoro è massimo se le direzioni della forza e dello spostamento coincidono ed è nullo se la forza è perpendicolare allo spostamento. Se le direzioni non coincidono, per scoprire quale parte della forza compie lavoro la si scompone nelle componenti parallela e perpendicolare allo spostamento. La componente che compie lavoro è quella parallela.
Il lavoro si calcola moltiplicando l’intensità di questa componente per lo spostamento. Gli si attribuisce un segno algebrico che lo qualifica come lavoro motore (positivo) o resistente (negativo). Il segno è determinato dai versi di forze e spostamenti secondo la tabella sottostante.
L’unità di misura del lavoro è
- nel S.I. il joule (J) = newton × metro (J=N·m)
- nel sistema pratico il chilogrammetro = chilogrammo-peso × metro (kgm=kgp·m).
leva = categoria di strumenti che aiutano ad esercitare le forze occorrenti per sollevare, comprimere, trasportare oggetti. Nella forma più semplice vi si osserva l’azione di tre forze, una delle quali è esercitata da un punto d’appoggio o di sospensione.
manovella = particolare tipo di leva rotante utilizzata per produrre azioni utili in direzioni diverse da quella della forza motrice (p.es. la manovella del cric agisce su un meccanismo che produce il sollevamento della vettura).
massa = quantifica proprietà dei corpi strettamente connesse alla quantità di materia di cui sono costituiti. Nel S.I. la sua unità di misura è il kg. Nel corso dei secoli si sono fatte ipotesi diverse sulla massa: l’ultima, basata su fenomeni che interessano le particelle costitutive della materia, collega la massa all’energia. A scopi didattici sembra ragionevole definire la massa semplicemente come misura della quantità di materia. Con questa definizione si può rendere evidente la differenza tra massa e peso ragionando su come, trasportando un corpo su pianeti diversi, cambia il suo peso ma non la quantità di materia di cui è fatto.
media aritmetica = si calcola addizionando i valori dei quali si cerca la media e dividendo il risultato per il numero degli addendi. Per esempio la media aritmetica di 4, 7, 11 e 12 vale (4+7+11+12)/4 = 8,5.
momento di una forza: misura l’effetto rotatorio di una forza applicata ad un corpo. È definito dalla relazione
momento = intensità della forza × braccio della forza ⇒ M = F × b
dove b è la distanza tra la retta d’azione della forza e un punto scelto in modo opportuno (normalmente il fulcro).
Applicando una forza F in modo opportuno è possibile mettere in rotazione anche corpi non vincolati al moto rotatorio. Ciò è dovuto all’intervento di forze “nascoste”, dovute all’interazione del corpo con oggetti circostanti, che si combinano con F dando luogo a una coppia di forze.
Nel sistema S.I. l’unità di misura del momento è il newton×metro (N×m).
opposto = aggettivo riferito alle grandezze vettoriali. Due vettori sono opposti se hanno uguale intensità, uguale direzione e versi opposti.
orario, antiorario = aggettivi che distinguono i due versi delle rotazioni, percepiti peraltro in modo opposto da chi osserva da davanti e da dietro. I termini, che forse la diffusione crescente degli orologi digitali renderà obsoleti, sono ispirati al verso di rotazione delle lancette dell’orologio.
normale = in geometria solida la retta normale a un piano in un punto è la perpendicolare a tutte le rette del piano passanti per quel punto (e ortogonale alle altre).
passo = in una vite, la distanza tra due successive spire del filetto.
perno = pezzo cilindrico fisso che sostiene un oggetto (p.es. una ruota o una leva) o unisce due oggetti (p.es. uno snodo) lasciandoli liberi di ruotare.
pressione = misura il rapporto tra l’intensità di una forza normale a una superficie e l’area della superficie su cui la forza agisce. Vari attrezzi di uso comune sono usati per generare forti pressioni trasferendo, p.es. su una punta di area piccolissima, una forza la cui intensità viene moltiplicata, p.es. da una leva. Nel S.I l’unità di misura della pressione è il newton/m2 o pascal (Pa). Per molte applicazioni si utilizzano ancora diverse unità pratiche come l’atmosfera (atm) o il kgp/cm2.
punto di applicazione = indica il punto in cui agisce una forza molto localizzata (per esempio, con le dovute approssimazioni, il gancio è il punto di applicazione della forza esercitata su un righello da un pesetto ivi appeso - rif. esperimento RIG2). Molte forze che agiscano su una zona estesa possono essere rappresentate da una sola forza, la loro risultante, applicata in un punto adeguato: per esempio, il punto di applicazione della forza peso coincide con il baricentro del corpo.
rapporto = numero che risulta dividendo tra loro i valori di due grandezze dello stesso tipo (omogenee). Per esempio, il rapporto tra due bracci, il rapporto tra due forze, ecc.
reazione vincolare = forza esercitata dal vincolo sul corpo di cui esso limita o impedisce le possibilità di movimento.
retta d'azione di una forza = la retta lungo cui opera il vettoreche rappresenta la forza.
risultante = il vettore ottenuto addizionando tra loro altri vettori. L’addizione viene eseguita applicando la regola del parallelogramma (oppure riportando i vettori da addizionare uno di seguito all’altro e tracciando il vettore che va dalla coda del primo alla punta dell’ultimo). Nel caso di forze applicate a corpi estesi può essere necessario determinare anche il punto di applicazione e la retta d’azione della forza risultante, cosa possibile in modo relativamente facile per i corpi rigidi. I metodi per farlo sono reperibili nei libri di testo di scuola secondaria.
S.I. = Sistema Internazionale delle unità di misura.
trasferimento di energia = avviene nelle interazioni tra corpi quando l’energia di uno o più corpi interagenti diminuisce e l’energia di uno o più corpi interagenti aumenta. Nel processo la somma delle energie “perdute” da una parte è sempre uguale alla somma delle energie “guadagnate” dall’altra, mentre i “tipi” di energia possono essere i più svariati. Nei processi meccanici i trasferimenti sono mediati dal lavoro di forze e concernono tipicamente energie potenziali (gravitazionali o elastiche), energie cinetiche e, per il lavoro delle forze d’attrito, energia termica (nome che comprende energie cinetiche e potenziali a livello microscopico) e talvolta energia elettrica (se le superfici a contatto si elettrizzano).
unità di misura = grandezza di riferimento (posta uguale a 1, per convenzione largamente riconosciuta) che permette di quantificare la misura di grandezze dello stesso tipo, per confronto. Una misura non è utilizzabile se non è specificata la sua unità di misura.
vantaggio = nei dispositivi moltiplicatori di forza, il rapporto tra forza resistente esercitata dal carico e forza motrice.
vettore = segmento orientato (freccia) usato per rappresentare graficamente grandezze fisiche che possiedono una direzione (grandezze vettoriali). La lunghezza del vettore rappresenta il valore numerico della grandezza (intensità o modulo); il suo orientamento ne rappresenta la direzione, la punta della freccia ne indica il verso.
vincolo = qualunque corpo che limiti o impedisca il movimento di altri corpi con cui interagisce (vedi anche reazioni vincolari).