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L'interazione · Le forze

Forze e deformazioni: la legge di Hooke

La molla di una penna a scatto, quella di un trampolino o quella di una bilancia a molla del fruttivendolo hanno una cosa in comune: più tiri, più si allungano. E se tiri il doppio, si allungano il doppio. Questa relazione così semplice porta il nome di legge di Hooke. Alla fine della pagina saprai usarla anche per costruire e tarare un dinamometro.

L'allungamento è proporzionale alla forza

Appendi a una stessa molla pesi di $1\ \text{N}$, $2\ \text{N}$ e $3\ \text{N}$ e misuri allungamenti di $1{,}5\ \text{cm}$, $3{,}0\ \text{cm}$ e $4{,}5\ \text{cm}$. Ogni newton in più aggiunge sempre lo stesso allungamento. Come si scrive questa regolarità in formula?

Prima di tutto distinguiamo: la molla ha una lunghezza a riposo $l_0$ (senza forze applicate) e, quando è deformata, una lunghezza $l$. L'allungamento è la differenza $\Delta x = l - l_0$.

Poiché $F$ e $\Delta x$ sono direttamente proporzionali, il rapporto $F/\Delta x = k$ è costante. Per questo il grafico forza–allungamento è una retta passante per l'origine e $k$ è la sua pendenza (coefficiente angolare). Nel dinamometro la scala graduata è proprio questo grafico «tarato»: la sensibilità è la più piccola variazione di forza leggibile e la portata è la forza massima, entro la quale il grafico resta una retta.

Grafico forza–allungamento di una molla: una retta per l'origine la cui pendenza è la costante elastica k. 0 2 4 6 8 1 2 3 4 F (N) Δx (cm) pendenza = k = 2 N/cm

Prova tu stesso a variare forza e costante (qui $k = 200\ \text{N/m}$, cioè $2\ \text{N/cm}$, e la forza è in newton):

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Completa la frase: «La legge di Hooke afferma che l'allungamento di una molla è $\dots$ proporzionale alla $\dots$ che le viene applicata». Poi scrivi la formula…

Completa la frase: «La legge di Hooke afferma che l'allungamento di una molla è $\dots$ proporzionale alla $\dots$ che le viene applicata». Poi scrivi la formula $F = k \cdot x$ e indica il significato e l'unità di ciascuna lettera.

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Una molla ha una costante elastica $k = 10\ \text{N/cm}$, come mostrato nella figura. Calcola la forza che bisogna applicare per allungarla di $3\ \text{cm}$. Ricorda la…

Una molla ha una costante elastica $k = 10\ \text{N/cm}$, come mostrato nella figura.

k = 10 N/cm F = ? x = 3 cm

Calcola la forza che bisogna applicare per allungarla di $3\ \text{cm}$. Ricorda la legge di Hooke: $F = k \cdot x$.

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A una molla di costante $k = 5\ \text{N/cm}$ applichiamo una forza di $20\ \text{N}$. Di quanti centimetri si allunga?

A una molla di costante $k = 5\ \text{N/cm}$ applichiamo una forza di $20\ \text{N}$. Di quanti centimetri si allunga?

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Una molla ha una costante $k = 200\ \text{N/m}$ e si allunga di $5\ \text{cm}$. a) Esprimi l'allungamento in metri. b) Calcola la forza applicata.

Una molla ha una costante $k = 200\ \text{N/m}$ e si allunga di $5\ \text{cm}$.

  1. a) Esprimi l'allungamento in metri.
  2. b) Calcola la forza applicata.
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La costante elastica: molle «dure» e «morbide»

Appendi lo stesso peso di $5\ \text{N}$ alla molla sottile di una penna e a quella robusta di una sospensione di motorino: la prima si deforma di vari centimetri, la seconda quasi non si muove. Quale grandezza misura questa diversa resistenza alla deformazione?

Due molle sottoposte alla stessa forza: quella con k piccola si allunga molto, quella con k grande si allunga poco. k piccola: si allunga molto F k grande: si allunga poco F Stessa forza F applicata alle due molle
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La molla A ha una costante $k = 2\ \text{N/cm}$ e la molla B $k = 8\ \text{N/cm}$. Senza fare calcoli: a) Quale è più «dura», cioè quale è più difficile da allungare? b)…

La molla A ha una costante $k = 2\ \text{N/cm}$ e la molla B $k = 8\ \text{N/cm}$. Senza fare calcoli:

  1. a) Quale è più «dura», cioè quale è più difficile da allungare?
  2. b) Quale si allungherà di più se applichiamo la stessa forza a entrambe?
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Una molla si allunga di $4\ \text{cm}$ quando le applichiamo $2\ \text{N}$. Senza quasi calcolare, e pensando alla legge di Hooke: di quanto si allungherà con…

Una molla si allunga di $4\ \text{cm}$ quando le applichiamo $2\ \text{N}$. Senza quasi calcolare, e pensando alla legge di Hooke: di quanto si allungherà con $4\ \text{N}$? E con $1\ \text{N}$? Giustifica le tue risposte.

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La costante elastica di una molla è $k = 2\ \text{N/cm}$. a) Esprimila in $\text{N/m}$. b) Calcola la forza necessaria per allungare la molla di $0,1\ \text{m}$.

La costante elastica di una molla è $k = 2\ \text{N/cm}$.

  1. a) Esprimila in $\text{N/m}$.
  2. b) Calcola la forza necessaria per allungare la molla di $0,1\ \text{m}$.
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Della molla A sappiamo che con $6\ \text{N}$ si allunga di $2\ \text{cm}$; della molla B, che con gli stessi $6\ \text{N}$ si allunga di $6\ \text{cm}$. a) Calcola la…

Della molla A sappiamo che con $6\ \text{N}$ si allunga di $2\ \text{cm}$; della molla B, che con gli stessi $6\ \text{N}$ si allunga di $6\ \text{cm}$.

  1. a) Calcola la costante elastica di ciascuna molla.
  2. b) Quale delle due è più dura?
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Appendiamo uno stesso peso alla molla A e si allunga di $2\ \text{cm}$; alla molla B e si allunga di $6\ \text{cm}$. a) Quale delle due molle ha la costante elastica…

Appendiamo uno stesso peso alla molla A e si allunga di $2\ \text{cm}$; alla molla B e si allunga di $6\ \text{cm}$.

  1. a) Quale delle due molle ha la costante elastica maggiore?
  2. b) Quante volte maggiore?
  3. c) Se alla molla B appendiamo un peso che pesa la metà, di quanto si allungherà?
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Lunghezza a riposo e problemi con la molla

Spesso non ti dicono l'allungamento, ma la lunghezza della molla prima e dopo. Oppure ti dicono la forza e ti chiedono quanto misura la molla. Il metodo è sempre lo stesso.

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Una molla misura $10\ \text{cm}$ a riposo e la sua costante è $k = 5\ \text{N/cm}$. Appendendo un peso, la molla passa a misurare $14\ \text{cm}$, come mostrato nella…

Una molla misura $10\ \text{cm}$ a riposo e la sua costante è $k = 5\ \text{N/cm}$. Appendendo un peso, la molla passa a misurare $14\ \text{cm}$, come mostrato nella figura.

10 cm peso 14 cm x = ?
  1. a) Di quanto si è allungata?
  2. b) Quanto vale il peso del corpo appeso?
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Appendendo a una molla un peso di $6\ \text{N}$, questa si allunga di $3\ \text{cm}$. a) Quanto vale la sua costante elastica? b) Di quanto si allungherà se appendiamo…

Appendendo a una molla un peso di $6\ \text{N}$, questa si allunga di $3\ \text{cm}$.

  1. a) Quanto vale la sua costante elastica?
  2. b) Di quanto si allungherà se appendiamo un peso di $10\ \text{N}$?
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Una molla di costante $k = 50\ \text{N/m}$ misura $20\ \text{cm}$ a riposo. Appendiamo un peso e la molla passa a misurare $30\ \text{cm}$. a) Esprimi l'allungamento in…

Una molla di costante $k = 50\ \text{N/m}$ misura $20\ \text{cm}$ a riposo. Appendiamo un peso e la molla passa a misurare $30\ \text{cm}$.

  1. a) Esprimi l'allungamento in metri.
  2. b) Calcola il peso del corpo appeso.
  3. c) Se appendessimo il doppio del peso, quanto misurerebbe la molla?
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Il dinamometro: una molla per misurare le forze

Schema di un dinamometro: involucro con scala in newton, molla interna, indice a 15 N, anello superiore e gancio inferiore con un peso appeso. 0 5 10 15 20 N F = 15 N anello molla involucro peso

Come si costruisce la scala? Si appendono pesi noti (1 N, 2 N, 3 N…) e si segna sull'involucro dove si ferma l'indice: questa operazione si chiama taratura. Poiché $F$ è proporzionale a $\Delta x$, i segni sono equidistanti. Due caratteristiche dello strumento:

  • la portata è la forza massima misurabile, oltre la quale la molla si danneggia;

  • la sensibilità è la più piccola variazione di forza che si legge sulla scala.

Quando il dinamometro misura il peso di un oggetto fermo, la molla tira l'oggetto verso l'alto con una forza uguale e opposta al peso: per questo la lettura è il peso stesso.

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Che cos'è un dinamometro? Quale grandezza misura e in quale unità? Qual è il componente principale che contiene?

Che cos'è un dinamometro? Quale grandezza misura e in quale unità? Qual è il componente principale che contiene?

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Appendendo a una molla un peso di $8\ \text{N}$, questa si allunga di $2\ \text{cm}$, come mostrato nella figura. Calcola la costante elastica della molla, in…

Appendendo a una molla un peso di $8\ \text{N}$, questa si allunga di $2\ \text{cm}$, come mostrato nella figura.

senza peso 8 N 2 cm k = ?

Calcola la costante elastica della molla, in $\text{N/cm}$.

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Appendiamo un sacchetto di arance a un dinamometro e questo segna $15\ \text{N}$, come mostrato nella figura. a) Quale forza sta misurando il dinamometro? b) Il…

Appendiamo un sacchetto di arance a un dinamometro e questo segna $15\ \text{N}$, come mostrato nella figura.

0 5 10 15 15 N arance
  1. a) Quale forza sta misurando il dinamometro?
  2. b) Il sacchetto è fermo: quale forza esercita il dinamometro sul sacchetto?
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Applicando una forza di $10\ \text{N}$ a una molla, questa si allunga di $5\ \text{cm}$. a) Calcola la sua costante elastica. b) Quale forza servirà per allungarla di…

Applicando una forza di $10\ \text{N}$ a una molla, questa si allunga di $5\ \text{cm}$.

  1. a) Calcola la sua costante elastica.
  2. b) Quale forza servirà per allungarla di $8\ \text{cm}$?
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Vuoi costruire un dinamometro fatto in casa con una molla di costante $k = 0,5\ \text{N/cm}$ in grado di misurare forze fino a $10\ \text{N}$. a) Di quanto si allungherà…

Vuoi costruire un dinamometro fatto in casa con una molla di costante $k = 0,5\ \text{N/cm}$ in grado di misurare forze fino a $10\ \text{N}$.

  1. a) Di quanto si allungherà la molla con la forza massima?
  2. b) Quale lunghezza minima deve avere il righello su cui disegnerai la scala?
  3. c) Quale distanza ci sarà tra il segno di $1\ \text{N}$ e quello di $2\ \text{N}$?
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Hai a disposizione due molle: la A, con $k = 10\ \text{N/cm}$, e la B, con $k = 0,5\ \text{N/cm}$. Vuoi misurare forze piccole, di circa $2\ \text{N}$, aiutandoti con un…

Hai a disposizione due molle: la A, con $k = 10\ \text{N/cm}$, e la B, con $k = 0,5\ \text{N/cm}$. Vuoi misurare forze piccole, di circa $2\ \text{N}$, aiutandoti con un righello scolastico.

  1. a) Calcola di quanto si allunga ciascuna molla con $2\ \text{N}$.
  2. b) Quale ti conviene usare per apprezzare bene la misura? Motiva la risposta.
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Il limite elastico: quando Hooke non vale più

Se tiri troppo una molla, non torna più com'era: rimane deformata. La legge di Hooke ha dunque un limite di validità.

Una deformazione è elastica se il corpo recupera la forma iniziale quando smetti di applicare la forza; è permanente (plastica) se rimane deformato. Il limite elastico è il valore della forza (o dell'allungamento) oltre il quale la deformazione non è più elastica. Fino al limite elastico il grafico $F$–$\Delta x$ è una retta per l'origine; oltre, la curva si piega e $F/\Delta x$ non è più costante.

Grafico forza–allungamento di una molla: retta fino al limite elastico, poi una curva che si piega. F (N) Δx (cm) limite elastico F = k·Δx Hooke non vale più
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In laboratorio misuriamo l'allungamento di una molla con forze diverse: con $1\ \text{N}$ si allunga di $2\ \text{cm}$; con $2\ \text{N}$, di $4\ \text{cm}$; e con…

In laboratorio misuriamo l'allungamento di una molla con forze diverse: con $1\ \text{N}$ si allunga di $2\ \text{cm}$; con $2\ \text{N}$, di $4\ \text{cm}$; e con $3\ \text{N}$, di $6\ \text{cm}$.

  1. a) Calcola la costante elastica con ciascuna coppia di dati.
  2. b) In questa molla vale la legge di Hooke? Giustificalo.
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Allunghiamo una molla con forze sempre maggiori e, a partire da un certo momento, quando la lasciamo non riacquista più la sua lunghezza iniziale: rimane deformata. a)…

Allunghiamo una molla con forze sempre maggiori e, a partire da un certo momento, quando la lasciamo non riacquista più la sua lunghezza iniziale: rimane deformata.

  1. a) Come si chiama il punto a partire dal quale accade questo?
  2. b) La legge di Hooke vale prima o dopo quel punto?
  3. c) Perché non dobbiamo superarlo quando usiamo un dinamometro?
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Allungando una molla con forze diverse otteniamo questi allungamenti: con $2\ \text{N}$, $1\ \text{cm}$; con $4\ \text{N}$, $2\ \text{cm}$; con $6\ \text{N}$,…

Allungando una molla con forze diverse otteniamo questi allungamenti: con $2\ \text{N}$, $1\ \text{cm}$; con $4\ \text{N}$, $2\ \text{cm}$; con $6\ \text{N}$, $3\ \text{cm}$; e con $8\ \text{N}$, $4,5\ \text{cm}$. I dati sono rappresentati nel grafico:

x (cm) F (N) 1 2 3 4 5 2 4 6 8
  1. a) Calcola la costante elastica della molla nella zona in cui vale la legge di Hooke.
  2. b) A partire da quale forza non vale più?
  3. c) Che cosa succede alla molla da quel punto in poi?
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Il grafico forza-allungamento di una molla è una retta che passa per l'origine e per il punto corrispondente a $4\ \text{cm}$ di allungamento e $12\ \text{N}$ di forza,…

Il grafico forza-allungamento di una molla è una retta che passa per l'origine e per il punto corrispondente a $4\ \text{cm}$ di allungamento e $12\ \text{N}$ di forza, come mostrato nella figura.

x (cm) F (N) 1 2 3 4 5 3 6 9 12 (4 cm, 12 N)
  1. a) Quale forza corrisponde a un allungamento di $1\ \text{cm}$?
  2. b) Quanto vale la costante elastica della molla?
  3. c) Quale allungamento corrisponde a una forza di $15\ \text{N}$?
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Una bilancia a molla di una bancarella del mercato usa una molla di $k = 20\ \text{N/cm}$ che non deve allungarsi più di $5\ \text{cm}$ per non rovinarsi. a) Qual è la…

Una bilancia a molla di una bancarella del mercato usa una molla di $k = 20\ \text{N/cm}$ che non deve allungarsi più di $5\ \text{cm}$ per non rovinarsi.

  1. a) Qual è la forza massima che la bilancia può misurare?
  2. b) Si può pesare con essa un sacco di arance che pesa $120\ \text{N}$? Giustificalo.
  3. c) Che cosa accadrà alla molla se si insiste a pesare il sacco?
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Una molla si allunga di $2\ \text{cm}$ quando le vengono applicati $5\ \text{N}$. a) Calcola la sua costante elastica. b) Prevedi l'allungamento per $12\ \text{N}$…

Una molla si allunga di $2\ \text{cm}$ quando le vengono applicati $5\ \text{N}$.

  1. a) Calcola la sua costante elastica.
  2. b) Prevedi l'allungamento per $12\ \text{N}$ supponendo che valga la legge di Hooke.
  3. c) Facendo la prova in laboratorio, con $12\ \text{N}$ la molla si allunga di $6\ \text{cm}$ invece di quanto previsto. Dai due possibili spiegazioni della differenza.
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Vuelve al principio: la molla di una penna o di una bilancia si allunga in proporzione alla forza finché non si supera il limite elastico; la costante $k$ dice quanto è «dura».

In sintesi

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