Sapere Scienza

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Forze reali e forze apparenti

22 Maggio 2020 di 

Le forze apparenti che si avvertono stando a bordo di sistemi in stato di accelerazione sono causa di una varietà di effetti sia nel piccolo del nostro vivere quotidiano che nel grande della meccanica celeste. È di Galileo il primo enunciato del principio di inerzia: se un corpo non è soggetto a forze reali permane in uno stato di moto non accelerato (ovvero inerziale), ossia se è fermo resta tale, se è in moto conserva la velocità di cui è dotato (in valore e verso). Occorre una forza per produrre accelerazione. Al contrario, se si trova in un sistema che accelera, ossia un sistema non inerziale – ad esempio un’auto in curva – un corpo avverte una forza detta “apparente” o “fittizia”.

    È grazie a una forza apparente che un satellite si mantiene in orbita: il moto circolare implica una forza centripeta Fg, quella gravitazionale, ossia il suo peso, ma anche una forza centrifuga Fc che aumenta con la velocità. Se si sceglie una velocità tale da bilanciare la forza di gravità, il satellite descrive un’orbita chiusa, senza cadere sulla Terra né sfuggire per la tangente. L’accelerazione a nell’equazione di Newton Fg + Fc = m a è nulla, come è nullo il peso apparente della navicella e di chi si trova a bordo.
    Benché chiamate “apparenti”, le forze sono presenti e vive: si pensi alla compressione contro lo schienale della poltrona in un jet al decollo, o agli oggetti che volano su un veicolo sottoposto a brusca frenata; oppure alla spinta laterale su un’auto in curva. Le forze apparenti sono alla base di molti fenomeni che fanno parte dell’osservato quotidiano. Passiamone in rassegna qualcuno, ribadendo che ogni affermazione è fatta dal punto di vista di chi sta nel sistema in accelerazione.

  

 La forza centrifuga e il nostro peso

 

Qualsiasi sistema rotante costringe chi vi si ritrova a subire l’azione di una forza centrifuga. Il caso per noi più interessante è la nostra stessa Terra, il cui moto di rotazione sull’asse e quelli di rivoluzione rispetto al Sole e alla Luna, ci sottopongono a una varietà di corrispondenti forze centrifughe. Risultato: il nostro peso è differente da punto a punto della Terra, come è differente di notte e di giorno. La forza centrifuga associata alla rotazione terrestre ci alleggerisce: l’effetto è massimo all’equatore, dove siamo più lontani dall’asse di rotazione e viaggiamo con la massima velocità. È invece nullo ai poli, dove lo schiacciamento del globo ci fa semmai pesare di più. L’effetto è tangibile: una persona che a Terra immobile pesasse 70 chili, ne pesa 69,76 all’equatore e 70,14 ai poli.

  

Le maree


Le forze agenti nel sistema rotante Terra-Luna fanno sì che il nostro peso diminuisca quando ci troviamo a perpendicolo sotto la Luna, ma anche quando siamo agli antipodi di tale punto. L’effetto è più piccolo del precedente, ma basta per generare maree che in certi punti della Terra, come Mont Saint-Michel in Normandia, mostrano escursioni di quasi 15 metri. Se si tenesse conto della sola attrazione lunare, ignorando la forza centrifuga, si potrebbe spiegare un solo massimo – quello sotto la Luna – che sarebbe intervallato di 24 ore e 50 minuti, ossia il tempo che il nostro satellite impiega a ripresentarsi sopra lo stesso sito. I massimi invece si hanno simultaneamente anche agli antipodi, con periodo dimezzato di 12 ore e 25 minuti.

    Il ruolo della forza centrifuga è decisivo. Giacché il rapporto delle masse Terra-Luna vale circa 50, tutti e due i corpi si muovono ruotando come un manubrio attorno al comune baricentro, con la Terra che compie un’orbita di diametro assai più piccolo rispetto alla Luna. Tale orbita è il luogo dei punti dove l’attrazione gravitazionale della Luna e la forza centrifuga terrestre si bilanciano. Questo è vero per il centro della Terra, quindi non può esserlo per i punti alla sua superficie: nel punto più vicino alla Luna domina la gravitazione lunare, l’opposto è vero nel punto più lontano. Quindi le acque hanno la massima tendenza ad avvicinarsi alla Luna quando si trovano sotto di essa e ad allontanarsi quando sono agli antipodi.

 

Forma delle galassie

 

Un emblematico effetto dovuto all’azione della forza centrifuga è l’appiattimento delle galassie a spirale su un piano normale al loro asse di rotazione. La congerie di stelle costituente la galassia è tenuta assieme dalle reciproche forze gravitazionali, ma nei punti più remoti dall’asse di rotazione esse sono più validamente contrastate da quelle centrifughe. Si ha così un effetto di contrazione lungo l’asse sino a formare una sorta di disco con un rigonfiamento centrale. Visto da sopra, sarebbe una spirale, come accade nella nostra Via Lattea.

 

Come si misura la forza centrifuga?


La misura si fa di solito con un semplice dinamometro, nella fattispecie noto anche come accelerometro, giacché può servire come sensore di accelerazione (ad esempio nella guida inerziale dei jet).

Andrea Frova

Andrea Frova, nato a Venezia, già Ordinario di Fisica Generale alla Sapienza, ha fatto ricerca nel campo della luce e delle proprietà ottiche dei semiconduttori. È autore di molte pubblicazioni scientifiche nelle maggiori riviste internazionali. Ha anche scritto testi di divulgazione, saggi musicologici e libri di narrativa. Ha vinto il "Premio Galileo per la divulgazione scientifica" nel 2008 con Se l'uomo avesse le ali (Rizzoli-BUR), e il "Premio Città di Como" con il saggio storico-scientifico Newton & Co. - Geni bastardi (Carocci 2015). Il suo ultimo libro è Luce, una storia da Pitagora a oggi (Carocci 2017).

9788822094445   luglio-agosto 2020

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