Innumerevoli osservazioni hanno portato alla scoperta delle cosiddette leggi della natura. Queste “leggi” non sono regole scritte che dicono quello che si deve o non si deve fare. Sono semplicemente delle affermazioni, che descrivono il modo in cui pensiamo che le cose accadano in natura.

Ad esempio, gli uomini hanno osservato da sempre che un oggetto, lasciato cadere sulla superficie della Terra, cade sempre giù, e mai verso l’alto. Ciò significa che gli oggetti cadono perché sono attirati dalla forza della gravità terrestre. Esiste una forza di attrazione tra l’oggetto e la Terra. Altre osservazioni hanno consentito di scoprire che ci sono altre forze più potenti di attrazione e di repulsione degli oggetti. Gli scienziati hanno classificato e collocato tutte le forze in tre distinte categorie: le forze gravitazionali, le forze elettromagnetiche e le forze nucleari. Tali forze sono state chiamate le tre forze fondamentali della natura.

Nelle scienze, qualsiasi tipo di movimento in cui si spinge o si tira qualcosa si chiama forza. Le forze fanno muovere le cose oppure impediscono loro di muoversi. Quando spingi una porta per aprirla, usi una forza. Se la porta ha una molla, la forza della molla richiude la porta. Se metti un libro su uno scaffale, usi una forza per sollevare il libro.

L’idea intuitiva di forza è spesso collegata allo sforzo muscolare (dei cavalli che spingono i carri) o all’uso dei motori nelle diverse attività dell’uomo. Nel linguaggio comune i verbi spingere, tirare, comprimere, allungare, accelerare, frenare, scivolare, lanciare, colpire… implicano sempre l’intervento di una forza.

Le persone e gli animali non causano tutte le forze del mondo. Come sapete, nell’universo accadono dei cambiamenti continui. E molti di questi cambiamenti comportano delle forze, come ad esempio la forza del vento e dell’acqua che scorre. Alcune forze sono poco intense, altre sono così grandi che non riusciamo quasi ad immaginarcele.

La caratteristica principale di una forza è questa: la forza non può essere vista. Solo i risultati di una forza possono essere osservati. Le forze applicate agli oggetti fermi li fanno muovere oppure impediscono agli oggetti di muoversi. Sapete, per via intuitiva, che ci vuole una forza per lanciare la palla.

Talvolta non si osserva alcun movimento, anche se ci sono delle forze in azione. Considera il gioco del tiro alla fune, in cui ci sono due gruppi di persone che tirano la fune da parte opposta. Se le forze, esercitate dalle due squadre, sono identiche non ci sarà alcun movimento. In questo caso, ci sono le forze applicate alla fune ma si bilanciano perfettamente e si annullano reciprocamente (Tabella 1). Ma uncorpo può anche essere soggetto a più forze allora cosa accade? Entra in gioco una parola già conosciuta del vocabolario di vita comune “sistema”.La parola sistema viene utilizzata frequentemente nel linguaggio quotidiano. Avete mai sentito parlare di sistema elettrico, di sistema solare, di sistema scolastico, di sistema circolatorio ? Un sistema è un gruppo di oggetti che vengono trattati come se costituissero una singola unità. In effetti il sistema è un tutto che possiede nuove proprietà, che i singoli oggetti non avevano.La parola sistema in campo scientifico indica un gruppo di oggetti che interagiscono. Gli oggetti di un sistema interagiscono se, tutti insieme, producono un effetto visibile e verificabile da parte di chi osserva. L’effetto che gli oggetti producono, durante l’interazione, rappresenta l’evidenza dell’interazione.

Ecco alcuni esempi di interazioni fra oggetti. Avete mai visto un calciatore che colpisce il pallone col piede ? Fra pallone e piede del calciatore c’è un’interazione. Le evidenze dell’interazione sono due:il pallone si muove verso la porta avversaria e la sensazione di compressione, trasmessa dal pallone al piede. Appunto per questo, i fisici dicono che due oggetti interagiscono quando ciascun oggetto esercita una forza sull’altro. Devi esercitare una forza se vuoi sollevare una sedia da terra. In questo esempio ci sono due forze ossia due interazioni che si contrappongono: la tua forzamuscolare e la forza peso della sedia. La forza peso della sedia si oppone alla tua forza muscolare che la vuole sollevare. Potete chiamare la forza peso una interazione gravitazionale. Gli esempi presentatidicono che la forza è un’interazione fra oggetti. Non possiamo vedere le forze implicate, ma osserviamo gli effetti che le forze determinano. La forza che spinge il pallone verso la porta può essere di intensità variabile. Siccome l’intensità della forza, che agisce sul pallone, può cambiare, si dice che la forza non è una proprietà intensiva della materia, come la temperatura e come la densità. La forza è una grandezza estensiva e vettoriale, come la velocità e l’accelerazione.

La forza può procurare due tipi di effetti (che denominiamo evidenze dell’interazione) sul sistema col quale interagisce:

• un effetto statico. Avete mai piegato un filo di ferro ? Avete mai allungato o compresso una molla ? Oppure avetemai deformato in maniera definitiva la creta e la cera ? Se avete fatto tutte queste cose avete applicato delle forze che hanno cambiato in modo permanente gli oggetti.
• un effetto dinamico. Avete mai spinto con la mano e messo in moto una macchinina che era ferma ? Mai rallentato la corsa di una bicicletta coi freni ? Qualche volta svoltato a destra usando il manubrio dellabicicletta ? Se avete fatto tutte queste cose avete applicato delle forze, che hanno modificato il movimento degli oggetti.

Sulla base di quanto premesso, definiamo la forza in questa maniera:  

Si definisce forza l’interazione in grado di deformare (effetto statico) oppure di cambiare lo stato di quiete o di moto (effetto dinamico) dell’oggetto a cui la forza viene applicata.

Viene quindi proposto un quadro riassuntivo nella seguente,Tabella 2 Forze a contatto, dove si spiega e distingue le diverse forze sulla base delle evidenze delle interazioni.

Nel linguaggio comune la massa è confusa col peso. C'è una netta e importante differenza fra i concetti di peso e di massa. La massa è una proprietà caratteristica della materia, e quindi di qualsiasi oggetto, che si misura con la bilancia a due piatti, ponendo su un piatto i pesi campione e sull’altro piatto l’oggetto, del quale si vuole conoscere la massa. La proprietà di un corpo, chiamata massa, dipende soltanto dal numero e dalla specie di atomi contenuti nel corpo.  

La massa di un corpo è costante in qualsiasi località, sulla Terra o su altri pianeti.

I fisici dicono che la massa misura l’inerzia del corpo ossia la massa è proporzionale alla forza necessaria per spostare il corpo, ma non è una forza. Maggiore è la massa di un corpo, tanto più grande sarà la forza necessaria per spingere il corpo fermo o per frenarlo se è in moto. Per esempio, è molto più difficile spostare la massa di un camion che la massa di un mattone. Altrettanto difficile è frenare il moto di un camion(Tabelle 3).

I principi della dinamica sono i mattoni fondamentali di quella branca della fisica che studia e descrive le relazioni tra il movimento di un corpo e le cause che lo hanno prodotto. Tali principi vengono anche chiamati come Principi di Isaac Newton dal nome del loro inventore.

Primo principio o principio d’inerzia

Ogni corpo persiste nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, se nessuna forza esterna interviene per cambiare tale stato. Ciò significa che senza l’intervento di forze esterne, se un corpo è in quiete rimane fermo; se è in movimento, non è soggetto a variazione di velocità, né in dimensione né in direzione. In realtà sappiamo che questo non avviene, perché, ad esempio, un autoveicolo che si muove ad una certa velocità con le ruote libere di girare, diminuisce gradualmente la sua velocità fino a fermarsi. Questo avviene per via delle resistenze dell’aria e di quelle d’attrito, che costituiscono forze esterne che si oppongono al moto.

La tendenza di ogni corpo a mantenere lo stato quiete o di moto, si definisce Inerzia.

Inizio del moto: la forza d’inerzia ha il verso opposto allo spostamento Arresto del moto: la forza d’inerzia ha il verso dello spostamento.

Un corpo persiste nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme finché su di esso non agiscono forze (o la loro risultante è diversa da zero).

Secondo principio o principio di proporzionalità

Un corpo non vincolato al quale si applica una forza continua e costante, si muove con moto uniformemente accelerato lungo la direzione della forza. Se allo stesso corpo si applica una forza doppia della prima, esso si muoverà con moto uniformemente accelerato con accelerazione anch’essa doppia della prima. Ma il rapporto fra la forza applicata e l’accelerazione resterà sempre costante e questo rapporto è la massa del corpo: F=ma che rappresenta l'equazione fondamentale della meccanica classica.

Nel sistema SI l'unità di misura della forza è il Newton; la forza di 1N è la forza che applicata ad una massa di 1Kg, determina un'accelerazione di 1m/s² .

L'accelerazione di un corpo è inversamente proporzionale alla sua massa e direttamente proporzionale alla forza impressagliin formule F=mA .

Terzo principio o principio di azione e reazione

Ad ogni azione corrisponde sempre un'azione uguale e contraria. Quindi le mutue azioni fra due corpi sono sempre uguali e dirette in senso contrario.

Ovvero, applicando un'azione (forza) ad un corpo, nel sistema entro cui ciò avviene si originerà spontaneamente un'azione di pari intensità avente verso opposto.

Ogni corpo esercita su di un altro una forza uguale e contraria a quella impressagli.

Considerato un corpo rigido esteso, sotto l’azione di un sistema di forze, può compire due diversitipidi movimento, un moto traslatorio,un movimento rotatorio sotto l’azione di un sistema di forze equivalenti ad una sola forza, la risultante in cui tutti i punti del corpo compiono lo stesso spostamento Affinché un corpo rigido sia in equilibrio, occorre che siano verificate le seguenti condizioni che devono essere soddisfatte contemporaneamente:

• La sommatoria delle forze orizzontali agenti deve essere uguale a zero.
• La sommatoria delle forze verticali agenti deve essere uguale a zero.

In formule avremo:noto come primo equazione cardinale della dinamica

La seguentetabella spiega e distingue le diverse forze sulla base delle evidenze delleinterazioni.

Tabella 1 Il comportamento di oggetti sottoposti a forze

Tabella 2 Forze a contatto

Tabella 3

Terra massa = 30.000 kg	Luna massa = 30.000 kg
peso = 300.000 N	peso =50.000 N
Terra	Luna