Forze ed equilibrio del punto: spiegazione, formule ed esempio svolto

Una forza è semplicemente una spinta o un tiro: è ciò che spinge, tira, frena o deforma un oggetto. Non basta dire quanto è intensa, perché conta anche la direzione: spingere una porta verso destra o verso sinistra dà effetti opposti. Per questo la forza è un vettore, cioè una freccia che ha una lunghezza (l'intensità), una direzione e un verso. L'intensità si misura in newton ($N$): per darti un'idea, tenere in mano una mela richiede circa $1\ N$. Quando su un corpo agiscono più forze, queste si combinano come frecce in un'unica forza totale, detta risultante.

La forza peso è l'attrazione con cui la Terra tira ogni oggetto verso il basso, e cresce con la massa secondo $P = m \cdot g$, dove $g \approx 9{,}8\ \mathrm{N/kg}$. Attenzione: il peso (in newton) non è la massa (in chilogrammi); la massa è la stessa ovunque, mentre il peso sulla Luna sarebbe minore. La forza elastica invece è quella che una molla esercita quando la deformi: più la allunghi o la comprimi, più lei reagisce per tornare alla forma di riposo, come un elastico teso. La legge di Hooke dice che questa forza è proporzionale alla deformazione, $F = k \cdot x$, dove $k$ è la costante elastica della molla (in $\mathrm{N/m}$) e $x$ l'allungamento in metri.

L'attrito è la forza che nasce dal contatto fra due superfici e che si oppone al movimento o al tentativo di muoversi. È il motivo per cui una cassa spinta sul pavimento prima o poi si ferma, e per cui le scarpe ci fanno camminare senza scivolare: senza attrito il mondo sarebbe come una pista di ghiaccio. La sua intensità non dipende dall'area di contatto, ma da quanto le superfici si "premono" l'una contro l'altra e da quanto sono ruvide, riassunto in un numero detto coefficiente di attrito. C'è un attrito statico, che blocca un corpo fermo finché la spinta non è abbastanza forte, e uno dinamico, che frena un corpo già in movimento.

Un punto materiale (un oggetto così piccolo da poterlo immaginare come un puntino) è in equilibrio quando sta fermo, e questo accade solo se la somma di tutte le forze su di esso è zero: le frecce si annullano a vicenda. È come un tiro alla fune in pareggio: tutti tirano, ma la corda non si muove. Il piano inclinato, cioè una rampa, è l'esempio classico: il peso dell'oggetto si può scomporre in due forze, una che lo schiaccia contro la rampa e una che lo fa scivolare giù lungo la pendenza. Più la rampa è ripida, più forte è la spinta che fa scivolare, e per studiarla servono (vedi: seno e coseno); l'oggetto resta fermo solo se attrito e altri sostegni bilanciano esattamente quella spinta.