La forza normale
Hai mai appoggiato una tazza su un tavolo e ti sei chiesto perché non sprofondi attraverso il legno? La risposta è meno ovvia di quanto sembri, ed è tutta merito di una forza silenziosa ma fondamentale: la forza normale.
Cos'è la forza normale?
La forza normale è la forza perpendicolare esercitata da una superficie che si oppone alla forza premente di un oggetto appoggiato sulla superficie stessa.
La forza normale è una delle tante forze “di contatto” che agiscono attorno a noi, spesso senza che ce ne accorgiamo. Serve a impedire che l’oggetto attraversi la superficie
Ogni volta che un oggetto tocca una superficie, quest’ultima reagisce esercitando una forza perpendicolare al piano di contatto, come se dicesse: “Fermo lì, non puoi passare!”.
Perché si chiama forza normale? La chiamiamo “normale” perché è perpendicolare alla superficie di contatto. In geometria, “normale” vuol dire proprio questo. Ma in realtà, questa forza è tutt’altro che banale. È la risposta elastica del mondo solido alla presenza di un corpo. Senza di lei, camminare, sedersi, appoggiare un oggetto sarebbe impossibile: tutto sprofonderebbe. Pur essendo invisibile, la forza normale ci accompagna ovunque.
Un esempio pratico
Immagina una scatola ferma su un pavimento.
In quel caso, il suo peso $ \vec{P} $ spinge verso il basso, ma il pavimento risponde con una forza normale $ \vec{N} $ uguale e contraria verso l’alto.
Questo equilibrio tra peso e forza normale spiega perché la scatola non si muove: le due forze si annullano.
$$ \vec{P} + \vec{N} = 0 $$
Ciò significa che la forza normale è un vettore opposto alla forza peso.
$$ \vec{P} = - \vec{N} $$
In questo caso la forza normale della superficie e la forza peso dell'oggetto si bilanciano perfettamente.
Attenzione: non è la stessa cosa della forza peso. La forza peso tira gli oggetti verso il basso, verso il centro della Terra. La forza normale invece li respinge dal basso verso l’alto, contrastando il peso in modo che gli oggetti non cadano attraverso il pavimento. A volte queste due forze si bilanciano perfettamente, ma non è sempre così.
Se però metti la scatola su una rampa inclinata, vedrai che la situazione cambia.
Il peso agisce ancora verso il basso, ma ora la forza normale è inclinata: non riesce più a bilanciare da sola tutta la forza peso. È più piccola.
Adesso il modulo della forza normale bilancia la componente $ \vec{P_y} $ della forza peso perpendicolare al piano.
$$ F_N = P_y $$
Per calcolarla, serve un po’ di trigonometria:
$$ F_N = mg \cdot \cos(\theta) $$
Dove $\theta$ è l’inclinazione del piano. Più è ripida la rampa, meno la superficie riesce a mantenere in equilibrio l’oggetto.
Come puoi notare, in questo caso la forza normale è inferiore alla forza peso, perché entrano in gioco altre forze parallele al piano $ \vec{P_x} $ che lo fanno scivolare.
E se premi sull'oggetto?
Se oltre al peso, premi verso il basso con una mano, la superficie deve “spingere” con più forza per evitare di farsi attraversare.
In questo caso, la forza normale $ \vec{N} $ diventa maggiore del peso $ \vec{P} $, perché deve contrastare anche la pressione aggiuntiva $ \vec{F} $.
$$ F_N = mg + F_{\text{pressione}} $$
Ad esempio, questo meccanismo entra in gioco, ad esempio, quando premi con forza su una valigia per farla chiudere: la superficie sotto sente tutto il peso, più la tua pressione.
In conclusione, la forza normale dipende dall’ambiente (piano inclinato o meno) e dalle condizioni (ci sono spinte aggiuntive?).
Ma il suo scopo è sempre lo stesso: impedire che le cose si compenetrino, mantenendo l’equilibrio del mondo visibile.
Può sembrare banale... ma senza di lei, anche la più semplice delle azioni, come posare una penna sul tavolo, sarebbe impossibile.
