Forțe

Elevii descoperă noțiunea de forță, efectele acesteia și principalele tipuri de forțe întâlnite în natură.

Interacțiunea și noțiunea de forță

În natură, corpurile nu acționează niciodată „de unele singure” — ele acționează unele asupra altora. Acțiunea reciprocă dintre două corpuri se numește interacțiune. Când lovești mingea, piciorul acționează asupra mingii, dar și mingea acționează asupra piciorului (o simți!).

Forța este mărimea fizică ce măsoară interacțiunea dintre corpuri. Se notează cu F, iar unitatea sa de măsură în Sistemul Internațional este newtonul (N), în cinstea fizicianului Isaac Newton.

Interacțiunile pot fi:

• prin contact — corpurile se ating: lovirea mingii, tragerea saniei, frecarea tălpii cu podeaua;
• de la distanță — corpurile nu se ating: Pământul atrage mărul care cade, magnetul atrage o agrafă de birou, un balon electrizat atrage firele de păr.

O idee de reținut: forța nu este „ceva ce are un corp în el”, ci descrie o relație între două corpuri. Nu există forță fără cel puțin două corpuri care interacționează — de aceea, când analizăm o forță, spunem mereu cine acționează și asupra cui.

Efectele forței — dinamic și static

Cum ne dăm seama că asupra unui corp acționează o forță? După efectele ei. Acestea sunt de două feluri:

Efectul dinamic — forța schimbă starea de mișcare a corpului:

• îl pune în mișcare din repaus (lovești mingea aflată pe loc);
• îl oprește (portarul prinde mingea);
• îi mărește sau micșorează viteza (împingi sania ca să accelereze, frânezi cu bicicleta);
• îi schimbă direcția de mișcare (cu capul, deviezi mingea spre poartă).

Efectul static — forța deformează corpul, adică îi schimbă forma sau dimensiunile. Deformările pot fi:

• elastice — corpul revine la forma inițială după ce forța încetează (arcul, buretele, o minge de tenis strânsă în palmă);
• plastice — corpul rămâne deformat (plastilina, o folie de aluminiu mototolită, o tablă îndoită).

Capcana clasică: mulți cred că o forță „se vede” doar când mișcă ceva. Fals — cartea care stă pe masă apasă masa (o deformează foarte puțin), iar tu, stând pe saltea, o deformezi vizibil. Deformarea este și ea o dovadă de interacțiune, la fel de bună ca mișcarea.

Forța este o mărime vectorială — reprezentarea grafică

Ca să descrii complet o forță, nu e suficient să spui „cât de tare”; trebuie să spui și încotro. Împinge ușa spre exterior sau trage-o spre tine — aceeași intensitate, efecte opuse!

De aceea forța este o mărime vectorială, iar caracteristicile ei complete sunt:

• punctul de aplicație — locul unde acționează forța asupra corpului;
• direcția — dreapta de-a lungul căreia acționează (orizontală, verticală, oblică);
• sensul — încotro acționează pe acea dreaptă (fiecare direcție are două sensuri);
• modulul (valoarea numerică) — cât de intensă este forța, exprimată în newtoni.

Grafic, forța se reprezintă printr-un segment orientat (o săgeată):

• săgeata pornește din punctul de aplicație;
• este trasată pe direcția forței, cu vârful în sensul de acțiune;
• lungimea segmentului este proporțională cu modulul: dacă alegem ca 1 cm să reprezinte 10 N, o forță de 30 N se desenează printr-o săgeată de 3 cm.

Confuzia frecventă este între direcție și sens: „verticală” este o direcție, dar pe ea există două sensuri — „în sus” și „în jos”. Greutatea are direcție verticală și sens în jos.

Forța de greutate (gravitațională)

Orice corp lăsat liber cade spre Pământ. Explicația: Pământul atrage toate corpurile din jurul său — aceasta este atracția gravitațională, o interacțiune de la distanță.

Greutatea (G) este forța cu care Pământul atrage un corp. Caracteristicile ei:

• punct de aplicație: centrul de greutate al corpului;
• direcție: verticală;
• sens: în jos (spre centrul Pământului);
• modul: G = m · g, unde m este masa corpului (în kg), iar g ≈ 9,8 N/kg este intensitatea câmpului gravitațional (în probleme se folosește adesea valoarea rotunjită g ≈ 10 N/kg).

Cea mai importantă distincție a capitolului: masa nu este totuna cu greutatea!

• Masa măsoară cantitatea de substanță (câtă materie conține corpul); se măsoară în kilograme, cu balanța, și nu se schimbă oriunde ai duce corpul.
• Greutatea este o forță; se măsoară în newtoni, cu dinamometrul, și se schimbă de la un loc la altul: pe Lună, unde g este de aproximativ 6 ori mai mic, același corp cântărește de 6 ori mai puțin, deși masa lui e neschimbată.

În vorbirea de zi cu zi spunem „cântăresc 50 de kilograme” — fizic vorbind, 50 kg este masa, iar greutatea este G = 50 · 10 = 500 N.

Forța de frecare

Împinge o cutie pe podea și apoi las-o: cutia încetinește și se oprește. Cine o oprește? Forța de frecare — forța care apare la contactul dintre două corpuri și se opune alunecării (sau tendinței de alunecare) unuia peste celălalt.

Caracteristici de reținut:

• apare la suprafața de contact dintre corpuri;
• are sens opus mișcării (sau tendinței de mișcare) — de aceea încetinește corpurile;
• depinde de natura suprafețelor (gheața alunecă, asfaltul „ține”) și de cât de apăsate sunt suprafețele una pe cealaltă — o cutie mai grea se împinge mai greu;
• surprinzător, nu depinde de mărimea suprafeței de contact — o cărămidă alunecă la fel de greu pe fața mare și pe fața mică.

Frecarea poate fi:

• dăunătoare — uzează piesele motoarelor, tocește talpa pantofilor; o reducem cu lubrifianți (ulei, vaselină), rulmenți sau suprafețe lustruite;
• utilă — fără ea nu am putea merge (talpa ar aluneca înapoi la fiecare pas), mașinile nu ar putea frâna sau vira, iar cuiele nu ar sta în perete; o mărim cu șanțuri pe anvelope, nisip pe gheață, tălpi de cauciuc.

Capcana clasică: frecarea nu este „mereu rea” — la mers și la frânare, ea este exact forța care ne salvează.

Forța elastică

Întinde un arc: el „trage înapoi”. Comprimă-l: el „împinge înapoi”. Forța cu care corpul deformat elastic se opune deformării și tinde să revină la forma inițială se numește forță elastică (Fe).

Ce trebuie reținut despre ea:

• apare numai în corpurile deformate elastic (arc, elastic, coardă de arc, trambulină) — plastilina deformată nu împinge înapoi;
• are sens opus deformării: la întindere trage spre interior, la comprimare împinge spre exterior;
• este cu atât mai mare cu cât deformarea este mai mare: pentru un arc, la o alungire dublă corespunde o forță elastică dublă — spunem că forța elastică este direct proporțională cu alungirea. Această proporționalitate este valabilă doar cât deformarea rămâne elastică;
• dacă întindem arcul prea mult, el depășește limita de elasticitate, rămâne deformat definitiv și proporționalitatea dispare.

Proprietatea de proporționalitate este esențială în practică: pe ea se bazează dinamometrul, instrumentul de măsurat forțe pe care îl studiem în capitolul următor — dacă alungirea este de două ori mai mare, forța care a produs-o este de două ori mai mare.

Exemple de forțe elastice în acțiune: arcurile de la pix, suspensia mașinilor, plasa elastică a trambulinei, coarda arcului care aruncă săgeata.

Test — 6 întrebări ca la examen