Parte IV – Quesiti e problemi

L'esercizio-tipo consiste nell'individuare le interazioni tra i corpi interessati ad un determinato fenomeno e le direzioni e i versi delle forze che ne derivano (rappresentando le forze con vettori indicati con simboli il cui significato sia esplicitato, p.es., in una tabellina a parte).
Dato che facilmente nel risolvere questi esercizi viene un grande guazzabuglio di vettori parzialmente sovrapposti di cui non si capisce bene a quali oggetti sono applicati, può essere conveniente tracciare schemi separati per le forze applicate ad ogni corpo preso in considerazione.

Questi schemi possono essere chiamati "diagrammi delle forze oppure, con la meno esplicita locuzione tradotta testualmente dall’inglese "free body diagrams", "diagrammi a corpo libero". Insieme alle condizioni iniziali, la conoscenza del diagramma delle forze (cioè l'inventario completo delle forze agenti) è indispensabile per calcolare il moto dei corpi.

1) Anello
Un anello a cui è legato uno spago è infilato su un piolo verticale. Una persona tira lo spago in modo che l’anello rimanga fermo a metà altezza del piolo.

a) Puntando l’attenzione sull’anello, individua i corpi (più di uno!) con cui sta interagendo.
b) Per ogni interazione che hai individuato disegna un vettore con la giusta direzione e verso, applicato nel posto corretto dell’anello, che rappresenti una forza agente sull’anello.
c) Dovresti trovare che le interazioni danno origine a forze che agiscono in due direzioni: orizzontale e verticale. Sai inoltre che l’anello è fermo. Controlla se la risultante di tutte le forze che hai disegnato è, come dovrebbe essere, uguale a zero. Se non lo è, cerca l’interazione mancante o eccedente. (Se hai già studiato l’equilibrio di rotazione, fai un commento su cosa occorre fare per mantenere perfettamente orizzontale il piano dell’anello).

2) Corpo appoggiato su un piano inclinato
a) Un blocco di legno è appoggiato su una strada inclinata. Con quali oggetti circostanti interagisce? Come sono dirette le forze sentite dal blocco e dagli oggetti circostanti per effetto delle interazioni che hai individuato?
b) Il blocco di legno della domanda precedente è agganciato ad una fune tirata da una persona che cammina in salita sulla strada. Rispondi separatamente alle domande:
1) con quali oggetti interagisce ora il blocco? Come sono dirette le forze sentite dal blocco e dagli oggetti circostanti per effetto delle interazioni che hai individuato?
2) con quali oggetti interagisce la persona? Come sono dirette le forze sentite dalla persona e dagli oggetti circostanti per effetto delle interazioni che hai individuato?
3) Considera ora la fune ed esprimi un'ipotesi sul meccanismo interno che le consente di trasmettere la forza dalla persona al blocco.

- Qualcuno potrebbe dare risposte del tipo: "Il blocco interagisce con la forza peso." Queste risposte sono scorrette. Il sistema materiale "blocco di legno" interagisce con altri sistemi materiali ed è di questi che preliminarmente si parla. L'individuazione delle forze d'interazione viene in un secondo tempo.
- L'ampio ricorso alle componenti delle forze che si fa nella risoluzione corrente dei problemi di fisica rischia di conferire loro, nella mente degli alunni, una realtà fisica che non hanno. Può succedere p.es. che tra le forze agenti sul blocco venga compresa la componente della forza di gravità parallela al piano. Bisogna discutere la questione chiedendo, p.es., "Qual è l'interazione che dà origine a questa forza? Ne vedete il partner?". Se il partner non c'e, neppure la forza c'è.
Deve diventare chiaro che la scomposizione delle forze è solo un utile espediente matematico.

3) Sci di fondo: passo pattinato

Quando uno sciatore avanza sulla pista da sci con passo pattinato butta avanti alternativamente lo sci destro e quello sinistro orientandoli in modo che le loro punte si aprano rispettivamente verso destra e verso sinistra ed obliquandoli in modo che il loro bordo interno sia più basso del bordo esterno.
Spiegare come lo sciatore sfrutta l'interazione tra gli sci e la neve per avanzare.

In questo esempio la forza che spinge il corpo in moto è normale alla superficie d'appoggio. Un altro esempio è l'uso dei blocchetti di partenza da parte di un velocista. Naturalmente nulla vieta di proporre altri problemi sulla locomozione in cui la reazione dell'ambiente circostante sia sfruttata diversamente.

4) Il razzo
E` opinione popolare diffusa che un razzo che parte verticalmente dalla Terra "s'appoggia" sull'aria che, a sua volta, "s'appoggia" sul suolo. Esaminare quest'opinione alla luce delle interazioni che riesci ad individuare tra il razzo in partenza e gli oggetti circostanti.

5) La pompa da bicicletta
Occorre una forza non trascurabile per spingere il pistone della pompa per gonfiare il pneumatico della bicicletta. Con che cos’altro interagisce il pistone mentre lo spingi in avanti?

6) Quale l'azione? Quale la reazione?
Considera la situazione seguente: una molla elicoidale è fissata ad un sostegno da cui penzola verticalmente. Un pesetto viene agganciato all'estremo inferiore della molla. La molla si allunga, il pesetto scende, dopo qualche eventuale oscillazione alla fine tutto si ferma.
Due persone analizzano il fenomeno. Una persona dice: "Il pesetto ha esercitato un'azione sulla molla perché l'ha tirata verso il basso. La molla, per reazione, ha esercitato una forza sul pesetto trattenendolo." L'altra persona dice: "Se non ci fosse stata la molla il pesetto sarebbe caduto. Perciò è la molla che ha esercitato un'azione sul pesetto impedendogli di cadere. Il pesetto, per reazione, ha esercitato una forza sulla molla allungandola."
Chi ha ragione? Hanno forse ragione tutte e due?
Quale delle due forze viene per prima? Quale delle due è causa dell'altra? L'azione o la reazione?
0 sono forse due forze simultanee, ugualmente importanti, e nessuna delle due è causa dell'altra?