Questo articolo è stato inserito nella pagina d'archivio "Dinamica e Meccanica", in Fisica Classica.

Un lettore mi ha scritto in privato, sollevando alcuni dubbi sull'articolone sulla forza centrifuga e non solo. Forse è doveroso inserire nuovamente un vecchio articoletto che ne dà una spiegazione estremamente semplice e intuitiva. Sempre in attesa di qualche news veramente interessante...

Mettiamo in chiaro due concetti che spesso volano come farfalle nel vento…

Il primo riguarda la forza centripeta e la sua “relazione” con la forza di gravità. La spiegazione della rotazione di un corpo attorno a un altro (o cose simili) prende il via dal primo principio della dinamica che dice che un corpo non soggetto a forze si muove di moto rettilineo uniforme. Tutto ciò che lo può far deviare da tale moto è solo una forza che gli impartisce un’accelerazione (ossia un cambiamento di velocità e di quantità di moto).

Vi sono tanti tipi di forza e tra queste vi è quella centripeta. Essa è una forza meccanica di tipo generale che viene definita senza curarsi di “cosa” la causi. Può essere definita come: “La forza per effetto della quale i corpi sono attratti, o sono spinti, o comunque tendono verso un qualche punto come verso un centro”. Ancora una volta mi sono rifatto, per sicurezza, a Newton stesso. Chiamiamola forza centrale o come volete, ma è una forza che agisce su una massa cercando di trascinarla verso un unico punto fisso. Se il corpo è in movimento rettilineo uniforme e subisce una forza centripeta, la sua velocità deve cambiare istante per istante (subisce un’accelerazione causata dalla forza).

Se la velocità e la distanza dal punto centrale corrispondono a certi requisiti il moto risultante è un moto circolare uniforme, Tuttavia, se la velocità è troppo grande, rispetto alla deviazione che può causarle l’accelerazione centripeta, il corpo devia la sua traiettoria e se ne va all’infinito. Se, invece, la velocità è troppo bassa, il corpo è costretto a cadere verso il centro individuato dalla forza centripeta. Il caso limite si ha quando la velocità del corpo si annulla del tutto (per qualche motivo): il corpo cade direttamente verso il centro in balia della sola forza centripeta.

Vista in questa ottica è facile descriverla anche in termini di Relatività Generale (in modo molto brutale). Se la velocità è elevata la massa riesce a non cadere nel buco gravitazionale e continua il suo viaggio, malgrado qualche deviazione (lente gravitazionale, ad esempio). Se è troppo debole precipita spiraleggiando. Se ha la giusta velocità continua a ruotare sul bordo del buco…

Molti fenomeni danno luogo a forze centripete e tra queste vi è la forza di gravità. Essa è un tipo di forza centripeta, ma non è affatto una forza che uguaglia la forza centripeta. Ripeto: esistono forze di tipo centripeto e la forza di gravità è una di queste! Punto e a capo.

Un altro concetto che è spesso male interpretato è quello della “povera” forza centrifuga, che per qualcuno è falsa e per qualcun altro è decisamente reale. Hanno ragione tutti e due!

Il terzo principio della dinamica dice: se un corpo A agisce con una forza su un corpo B il corpo B reagisce sul corpo A con una forza che ha la stessa intensità e direzione, ma il verso opposto. Questo vale sia per oggetti a contatto (urti) sia per oggetti a distanza (gravità).

Bene, nel nostro caso non c'entra proprio NIENTE!

Non confondiamo la forza centrifuga con il terzo principio della dinamica. Nella caso della forza centrifuga, infatti, sia la forza centripeta che quella centrifuga si applicano allo stesso corpo A. La forza centrifuga non è una reazione, ma è una forza che nasce per mantenere in quiete il sistema di riferimento non inerziale (il corpo che ruota).

Nel sistema del corpo che ruota non esiste più la velocità (il corpo è fermo) e quindi è necessario annullare in qualche modo la forza centripeta che tende a farlo cadere verso il centro. La forza centrifuga è quella che ci vuole. Essa si chiama fittizia, anche se, in realtà, esiste e come (ed è chiaramente avvertita dal gatto che sta sulla vostra spalla mentre girate in una giostra a grande velocità). Essa è necessaria per fare in modo che il fenomeno meccanico appaia lo stesso in tutti i sistemi di riferimento, anche se è spiegato in modo diverso (il pianeta ruota comunque attorno al Sole).

La forza centrifuga, quindi, niente ha a che fare con il moto di un corpo intorno a un altro, se visto dall’esterno. Per spiegare quest’ultimo basta la sola forza centripeta (ad esempio, quella di gravità) e un corpo che si muove di moto rettilineo uniforme. Entra in campo solo quando ci portiamo nel sistema di riferimento di chi ruota. Il corpo, in qualche modo, “perde” la velocità (si sente fermo) ed è costretto a far nascere una forza uguale e contraria a quella che cerca di farlo cadere verso un certo punto. Una forza, diciamo così, di “sopravvivenza”!

Per chi ne vuole sapere ancora di più ricordo l’articolone sulla forza centrifuga che trovate negli approfondimenti.

QUI una semplice spiegazione papalliana delle forze centrifuga e centripeta, adatta a tutti (ma proprio a tutti!)