La fisica per strada
Scoprire la fisica in automobile e in motocicletta
Forza centripeta
Abbiamo già analizzato il moto circolare uniforme e abbiamo notato come in questo particolare tipo di moto, di cui abbiamo un assaggio ogni volta che percorriamo dei tratti di strada curvilinei, sia presente un’accelerazione centripeta diretta verso il centro della curva. Da quello che abbiamo appena detto sui principi della dinamica, in particolare dalla seconda legge, deduciamo che questa accelerazione è provocata da una forza che chiamiamo forza centripeta che ha direzione e verso uguale all’accelerazione. Questo significa che ogni volta che un veicolo percorre una curva, è sottoposto all’azione di una forza diretta verso il centro della circonferenza di cui la curva rappresenta un arco. Possiamo ricavare l’intensità di questa forza dalle nostre conoscenze sul moto circolare uniforme:
dove r è il raggio della circonferenza di cui la curva rappresenta un arco, m è la massa del veicolo e v la velocità tangenziale del veicolo. Questa è la forza che permette ad un corpo di muoversi di moto circolare uniforme.
La natura della forza centripeta varia in base alla situazione in cui essa appare. Consideriamo ad esempio un’automobile che percorre un tratto di strada rettilineo con velocità costante in direzione e verso. Ad un certo istante il veicolo incontra una curva e l’autista inizia a girare il volante dell’auto. Analizziamo cosa succede dal punto di vista di un sistema di riferimento inerziale fissato al suolo. Dall’istante in cui l’autista inizia a girare il volante, il vettore velocità modifica la proria direzione (anche se non necessariamente il proprio modulo) e quindi è presente un'accelerazione centripeta che descrive la variazione della velocità. Perciò, per il secondo principio della dinamica, deve necessariamente esserci una forza che genera tale accelerazione. È interessante notare che in questo caso specifico la forza centripeta è rappresentata dalla forza di attrito statico che nasce dal contatto tra le ruote e l’asfalto per contrastare lo slittamento a cui l’automobile tenderebbe per inerzia.
Velocità di un'automobile in curva
Forze apparenti in automobile
Arrivati a questo punto del nostro percorso abbiamo capito che, quando un veicolo viaggia a velocità costante, tutte le cose e le persone solidali ad esso rispondono al principio di inerzia, ma abbiamo anche visto quale tipo di moto compie un corpo durante una curva e sappiamo che in questo caso è presente un’accelerazione, quindi in questo caso, oppure quando un veicolo frena e accelera, il principio di inerzia non vale. Per avere una panoramica generale di quello che accade quando siamo per strada con un veicolo, ci manca da capire cosa succede alle persone che viaggiano a bordo di un’automobile o su una motocicletta quando si trovano in un sistema di riferimento non inerziale. Quindi cosa accade quando un’automobile cambia velocità? E perché percorrendo una curva i passeggeri sentono una forza che “spinge” verso l’esterno della curva?
Consideriamo un autoveicolo che sta affrontando una curva e mettiamoci nel sistema di riferimento non inerziale solidale ad esso. Le persone all’interno dell’abitacolo, sentendosi spinte verso l’esterno della curva, pensano di essere sottoposte ad una forza nella stessa direzione, per questo tale forza viene chiamata centrifuga. Si tratta però di un tipo di forza apparente, ovvero di una forza che un osservatore solidale ad un sistema di riferimento non inerziale percepisce come agente effettivamente, al pari delle altre forze, ma che in realtà non deriva da nessuna interazione fisica diretta ed è originata dall’accelerazione del sistema di riferimento stesso.
Dal secondo principio della dinamica si ha che è proporzionale alle masse e alle accelerazioni dei corpi su cui agiscono, quindi su un corpo ha lo stesso effetto delle forze reali anche se non viene applicata direttamente. I passeggeri dell’auto riconoscono il fatto che il veicolo non sbanda verso l’esterno della curva e spiegano questo fatto assumendo che la forza di attrito statico bilancia la forza centrifuga.
I passeggeri a bordo di un’automobile sperimentano anche in altre occasioni gli effetti delle forze apparenti, basta considerare le situazioni in cui entrano in gioco le accelerazioni lineari. Si pensi ad esempio a quando un’auto frena: il moto del veicolo è uniformemente decelerato e questo significa che i passeggeri subiscono l’azione di una forza che ha la stessa direzione dell’accelerazione (quella della traiettoria) e verso opposto (essendo l’accelerazione negativa e quindi diretta in verso contrario al moto dell’auto, la forza avrà verso concorde con il moto). Il passeggero infatti, durante la frenata, si sente spinto in avanti.
In caso di brusche frenate, la forza apparente ha l'effetto di sbalzare i passeggeri in avanti. Si può quindi capire l'importanza di indossare le cinture di sicurezza, che hanno il compito di trattenere le persone in queste situazioni.
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