Corso di Meccanica Applicata: 1 – FORZE E MOMENTI
LEZIONE 1 – FORZE E MOMENTI
Obiettivi della lezione
- Comprendere il concetto fisico di forza e la sua rappresentazione come vettore.
- Introdurre il concetto di momento torcente o momento di una forza.
- Esplorare le condizioni di equilibrio di un corpo rigido.
- Applicare i concetti attraverso un’attività pratica con una leva a due bracci.
1. Teoria
1.1 Cos’è una forza
Una forza è un'interazione che può modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo. In termini fisici, una forza è una grandezza vettoriale, cioè caratterizzata da:
- Modulo (intensità, misurata in Newton – N)
- Direzione (retta lungo cui agisce la forza)
- Verso (orientamento lungo la direzione)
- Punto di applicazione (dove la forza agisce sul corpo)
Unità di misura
- 1 Newton (N) = forza necessaria per imprimere a un corpo di 1 kg un’accelerazione di 1 m/s².
1.2 Il concetto di momento torcente
Il momento torcente o semplicemente momento di una forza rispetto a un punto è la tendenza della forza a far ruotare un corpo attorno a quel punto.
La formula è:
\mathbf{M} = \mathbf{F} \times \mathbf{d}
Dove:
- M = momento (misurato in N·m, Newton per metro)
- F = intensità della forza applicata
- d = distanza perpendicolare tra la retta d'azione della forza e il punto di rotazione
Il momento può essere:
- positivo (orario) o negativo (antiorario) a seconda del verso della rotazione che genera.
1.3 Equilibrio di un corpo rigido
Un corpo rigido è in equilibrio se:
- La somma delle forze agenti su di esso è zero (equilibrio traslazionale)
- La somma dei momenti rispetto a qualsiasi punto è zero (equilibrio rotazionale)
In formula:
\sum \mathbf{F} = 0 \quad \text{e} \quad \sum \mathbf{M} = 0
2. Attività pratica: la leva a due bracci
Obiettivo
Dimostrare sperimentalmente il concetto di equilibrio dei momenti utilizzando una leva a due bracci, cioè un’asta bilanciata su un fulcro centrale.
Materiali
- Un righello (30 o 50 cm)
- Un punto di appoggio (es. una matita, un bicchiere capovolto, un blocchetto come fulcro)
- Oggetti di peso noto (es. bulloni, dadi metallici, monetine, pesetti)
- Nastro adesivo
- Filo da cucito o spago sottile (per sospendere i pesi, se necessario)
Preparazione
-
Costruzione della leva:
- Appoggiare il righello orizzontalmente su un fulcro al centro (es. al segno dei 15 cm in un righello da 30).
- Verificare che il righello resti in equilibrio da solo.
-
Applicazione dei pesi:
- Attaccare con il nastro adesivo o appendere tramite il filo oggetti di peso noto a distanze diverse dai due lati del fulcro.
- Annotare posizione e peso di ciascun oggetto.
-
Verifica dell’equilibrio:
- Spostare i pesi fino a trovare una configurazione in cui il righello resta orizzontale.
- Calcolare i momenti (M = F × d) per ciascun lato e verificare se sono uguali.
Esempio
- Lato sinistro: 1 moneta da 50 g a 10 cm dal fulcro →
M = 0,5 N × 0,10 m = 0,05 N·m - Lato destro: 2 monete da 25 g a 10 cm →
M = (0,25 N × 2) × 0,10 m = 0,05 N·m
Equilibrio confermato.
3. Estensioni didattiche
-
Domande guida:
- Cosa succede se sposto il peso più vicino o più lontano dal fulcro?
- Cosa cambia se aumento il peso?
- È possibile ottenere l’equilibrio con pesi diversi a distanze diverse?
-
Attività avanzata:
- Verificare l’effetto di una forza inclinata (usando un peso sospeso a un angolo).
- Introdurre l’idea di braccio della leva come componente perpendicolare.
4. Conclusione e riflessione
- Discutere cosa si è imparato: la relazione tra forza e distanza, il concetto di equilibrio, il ruolo del fulcro.
- Far collegare l’esperienza pratica con oggetti reali: altalene, bilance, chiavi inglesi, maniglie delle porte.
- Introdurre (eventualmente per la lezione successiva) il concetto di leva di primo, secondo e terzo genere.
Compiti / approfondimenti a casa
- Osservare e fotografare esempi di leve nella vita quotidiana.
- Eseguire un disegno tecnico della leva costruita, con indicazione dei vettori forza e distanza.
- Risolvere semplici problemi numerici sull’equilibrio dei momenti.
Commenti
Posta un commento