In questa sezione del nostro blog ProgettoSani ti portiamo informazioni su: Cosa sono le forze elastiche e a cosa servono.
Chiamiamo forza elastica quella esercitata da un oggetto per evitare di cambiarne la forma e si verifica quando un oggetto che normalmente riprende la sua forma (come una molla) è sotto la pressione di una forza deformante.
Viene anche chiamata la forza elastica forza riparatrice, proprio perché si oppone alla forza di deformazione e fa ritornare gli oggetti nella loro posizione di equilibrio. Questa forza viene trasmessa attraverso le particelle che compongono l’oggetto in questione.
La forza elastica di una molla è l’esempio più pratico e di facile comprensione. Quando una molla metallica viene compressa, la forza esercitata su di essa spinge le sue particelle insieme mentre allo stesso tempo le particelle cercheranno di separarsi esercitando una forza nella direzione opposta.
Se invece, invece di comprimere, allunghiamo la molla, le particelle si separeranno sempre di più per effetto della forza di allungamento e, allo stesso tempo, resisteranno applicando una forza contraria.
Vengono chiamati oggetti che hanno la capacità di tornare al loro stato di equilibrio dopo aver affrontato la forza di deformazione oggetti elastici. In questo gruppo troviamo molle e anche elastici e corde dello stesso tipo.
Cos’è la forza elastica?
La forza elastica (rappresentata graficamente come fk) è, come spiegato sopra, una forza esercitata per ritornare alla sua forma originaria dopo aver subito una trasformazione dovuta ad una forza esterna. Per analizzarlo chiaramente, utilizzeremo ancora l’esempio della molla nella struttura di un sistema ideale massa-molla.
Immagina una molla orizzontale attaccata a un muro e all’altra estremità un blocco di massa trascurabile. In questo sistema ideale non terremo conto delle altre forze che agirebbero su di esso, ad esempio la gravità o l’attrito.
Ora, se applichiamo una forza orizzontale sulla massa verso il muro, questa passerà alla molla e la comprimerà, quindi si sposterà dalla sua posizione di equilibrio a una nuova.
Le leggi fisiche dicono che gli oggetti tendono a rimanere in equilibrio, quindi la forza elastica della molla sarà presente cercando di contrastare la forza di deformazione applicata alla massa. Lo spostamento misura la deformazione della molla e la forza elastica sarà proporzionale a questo spostamentopoiché più la molla viene compressa, la variazione della sua posizione aumenterà e, quindi, la forza elastica aumenterà, fino a quando verrà un momento in cui entrambe le forze (elastica e applicata) raggiungono l’equilibrio e il sistema rimane statico.
In questo momento, quando la forza non viene più esercitata, l’unica che agisce sulla molla fa accelerare la molla in senso contrario alla deformazione fino a tornare in equilibrio. Se, invece di comprimerla, tiriamo la massa per distenderla orizzontalmente, lo stesso effetto si produrrà con una forza elastica proporzionale allo spostamento per contrastare l’allungamento.
legge di Hooke
La legge di Hooke afferma che la forza lineare esercitata su un oggetto è proporzionale al suo spostamento. Questa legge è quella usata per esprimere la formula della forza elastica, che si scrive: Fk =-k.Δs. Secondo cui Fk è la forza elastica; k sta per Proportionality Constant e Δs sta per Displacement.
Inoltre, quando l’oggetto su cui viene esercitata la forza si sposta orizzontalmente, tale spostamento si scrive Δx e, seguendo la legge di Hooke, l’espressione della formula è: Fk =-k.Δx
Il segno meno all’inizio dell’equazione significa che la forza elastica dell’oggetto è nella direzione opposta alla forza che esercita lo spostamento. Inoltre, la costante di proporzionalità k è una costante soggetta al materiale di cui è fatto l’oggetto. L’unità di detta costante k è N/m
D’altra parte, la costante di deformazione ddetermina il limite elastico degli oggetti; quindi, se viene allungato oltre questo limite, la deformazione sarà irreversibile.
Va notato che queste equazioni funzionano solo per piccoli spostamenti; quando si tratta di espressioni più grandi, usiamo Δx.
Energia cinetica ed energia potenziale riferite ad una forza elastica
Durante il processo in cui la forza elastica sposta l’oggetto verso la sua posizione di equilibrio, l’energia potenziale del sistema massa-molla nell’esempio aumenta. Questo si esprime con l’equazione: U=½ k. Δx2. Questa energia potenziale è espressa in Joule (J).
Quando smettiamo di esercitare la forza di deformazione, la molla ritorna al suo equilibrio, l’energia potenziale diminuisce e l’energia cinetica aumenta, che al momento dell’equilibrio si trova con l’equazione: Ek= ½ m.v2 Dove m è uguale alla massa e v rappresenta la rigidità della molla.
