Le forze a distanza: Forze fondamentali

Le forze fondamentali

I fenomeni fisici naturali avvengono principalmente grazie a tre tipi forze fondamentali; queste sono le forze nucleari, la forza elettromagnetica e la forza gravitazionale. Queste forze sono forze a distanza, agiscono quindi senza che vi sia contatto tra due corpi; sono forze che non possiamo “vedere” direttamente, ma ne sentiamo gli effetti.

Le forze nucleari

Le forze nucleari riguardano, come dice il nome stesso, l’interno dell’atomo, e in particolare il suo nucleo. Queste forze si dividono in due tipi, la forza nucleare forte, e la forza nucleare debole.

La forza nucleare forte è una forza attrattiva, ed è la forza che tiene uniti protoni e neutroni all’interno del nucleo atomico; è una forza molto potente, che riesce a vincere le forze repulsive protone-protone, ed è inversamente proporzionale alla distanza tra le particelle.

La forza nucleare debole, invece, riguarda reazioni nucleari, ed è responsabile delle reazioni di fusione nucleare che avvengono all’interno delle stelle; in particolare, riguarda il processo di trasformazione di un protone in un neutrone con emissione di un elettrone e un neutrino.

La forza elettromagnetica

La forza elettromagnetica è la forza che agisce tra due oggetti carichi, cioè che possiedono carica elettrica.

Questa forza si manifesta sia in eventi atmosferici, come i fulmini e i lampi, sia in fenomeni microscopici, come i legami tra gli atomi e le molecole.

In particolare, la forza elettrica è attrattiva nel caso di cariche con segni opposti, e repulsiva nel caso di cariche con segni uguali:

Forza elettrica nel caso di cariche dello stesso segno e segno opposto

Inoltre, l’intensità della forza elettrica aumenta con l’aumentare delle cariche, e diminuisce all’aumentare della distanza tra esse.

La forza elettrica, nel caso in cui le cariche coinvolte siano $Q_1$ e $ Q_2$, e la distanza tra esse r, si ottiene dalla formula:

$F_e = k * frac (Q_1 * Q_2)(r^2)$

dove k è una costante.

La forza gravitazionale

A differenza della forza elettrica, quella gravitazionale è sempre attrattiva, e riguarda tutti i corpi che hanno massa.

La formula che permette di determinare la forza gravitazionale è molto simile a quella della forza elettrica; anche in questo caso, infatti, la forza è direttamente proporzionale al prodotto delle masse, e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza:

$F_g = G * frac (m_1 * m_2)(r^2)$

dove G è una costante, detta costante di gravitazione universale.

La forza gravitazionale è la più debole delle forze appena menzionate, ma i suoi effetti sono particolarmente evidenti; nel caso di masse molto grandi, come quelle dei pianeti, tale forza, determina il moto attorno al Sole.

La forza gravitazionale si definisce forza-peso nel caso in cui ci si riferisce all’attrazione tra il pianeta Terra e gli oggetti che si trovano su di esso.

La forza-peso agisce lungo la verticale del luogo in cui si trova il corpo; la sua direzione, quindi, è perpendicolare al piano in cui giace il corpo, rivolta verso il basso. Essa è ripartita su tutto il volume del corpo, in quanto agisce su tutte le particelle che lo costituiscono; tuttavia si suppone, per semplicità, che sia una forza puntuale, cioè applicata in un solo punto, detto baricentro.

La forza-peso è direttamente proporzionale alla massa di un corpo, e può essere ottenuta dalla seguente formula:

$F_p = m*g$

dove g è una costante, e vale 9,8 N/kg; poiché il Newton può essere espresso come la forza necessaria per imprimere ad in corpo di 1 kg un’accelerazione di un metro al secondo quadrato, possiamo affermare che la costante g ha le dimensioni fisiche di un’accelerazione, quindi si ha $g = 9,8 m/s^2$.

La costante g varia da pianeta a pianeta; questo spiega perché il peso di un corpo cambia se ci troviamo sulla Terra o su Marte, dove g = 3,74 N/kg. Ricordiamo, però, che ciò che varia è il peso (forza-peso); la massa, invece, indica la quantità di materia che costituisce un corpo e rimane costante.