Un corpo in caduta

Un corpo che pesa un chilogrammo cade dall'altezza di un metro su un piano indeformabile. Se si trascura l'attrito con l'aria, con quale forza collide con il piano?
Ettore Del Giudice
4 settembre 2002
Quando a una particella di massa m e velocità v0 viene applicata una forza F in modo da ridurla in quiete, tra la forza applicata e la variazione di quantità di moto della particella nell'intervallo di tempo t1-t2 si ha la relazione:

ove l'integrale

è detto impulso della forza nell'intervallo di tempo t1÷t2.

Nel caso in cui la forza sia costante e antiparallela rispetto alla velocità v0 e venga applicata sino ad annullare la velocità, la relazione si semplifica in:

in cui v0 e F sono i moduli dei vettori v0 e F.

Non sempre è possibile conoscere l'andamento temporale della forza, tuttavia l'equazione precedente può essere utilizzata per definire il valore medio <F> della forza:

L'urto di una corpo contro un piano è proprio uno di quei casi in cui si può dire, a priori, molto poco riguardo all'andamento temporale delle forze che dipendono dalle caratteristiche dei corpi che si urtano (in particolare dal fatto che le deformazioni subite durante l'urto siano elastiche, parzialmente elastiche o addirittura completamente anelastiche).

Possiamo calcolare l'ordine di grandezza della forza esercitata dal piano sul corpo (che è eguale e opposta a quella esercitata dal corpo sul piano), supponendo che F abbia valore costante eguale al suo valore medio <F>.

Se supponiamo che la deformazione del piano urtato sia trascurabile rispetto alla deformazione del corpo urtante, possiamo pensare che lo spostamento del centro di massa C del corpo sia praticamente eguale alla distanza d mostrata in fig. 1.
Se consideriamo che la forza sia costante, possiamo utilizzare le equazioni che valgono per un moto con accelerazione costante:

Per conoscere <F> dobbiamo valutare v0. Sappiamo che per un corpo in caduta libera dall'altezza h (con h molto piccolo rispetto al raggio terrestre), se, come nel nostro caso, si può trascurare l'influenza del mezzo, l'energia cinetica aumenta di una quantità pari alla diminuzione mgh dell'energia potenziale (ove g è l'accelerazione di gravità) e quindi(1/2)mv2 = mgh ottenendo infine:

e quindi, ad esempio un corpo con m = 5 kg che cada da un'altezza h = 10 m e che si deformi per 2 cm su un piano la cui deformazione sia trascurabile, la forza media esercitata sul piano vale circa 25 kN. Il valore pur diminuire molto se cade sull'asfalto che, a seconda della temperatura esterna, potrebbe deformarsi in modo non trascurabile.
Se d = 10cm la forza media varrebbe 5 kN cioè più grande è la deformazione, più piccola la forza applicata.

Per questo è bene che i paraurti delle auto si deformino abbastanza durante un urto e si proteggono i passeggeri col dispositivo air bag che pur deformarsi molto di più del paraurti aumentando notevolmente il tempo d'urto.

Quella calcolata è la forza media che dipende dalla forma e dal materiale del corpo attraverso la deformazione d, deformazione che può essere misurata. Per calcolare il valore massimo della forza applicata occorrerebbe conoscere in modo molto più approfondito il comportamento dei materiali durante l'urto.

Giulio Calvelli Dipartimento di Fisica "Galileo Galilei", Università di Padova

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