E-school  di  Arrigo Amadori

Tutorial di fisica

Le 4 forze


A tutt'oggi, in natura, sono conosciute 4 forze. Tramite la loro azione si spiega un enorme numero
di fenomeni. 

Questo non significa, però, che siamo in grado di spiegare "tutto". Le ultime misure astronomiche,
per esempio, ci mostrano un dato inaspettato : la materia e l'energia che conosciamo sarebbero solo
una piccola parte della massa e dell'energia totale che costituiscono l'universo. Le nuove forme di 
materia ed energia che si stanno scoprendo e che per il momento sono avvolte nel mistero (si 
chiamano appunto materia ed energia oscura) probabilmente ci faranno cambiare completamente il 
nostro modo di comprendere l'universo. 

Siamo forse all'alba di una vasta rivoluzione scientifica analoga a quella che si ebbe fra '800 e '900
e che portò alla creazione della teoria della relatività e della meccanica quantistica. 

Comunque, le quattro forze note fino ad oggi sono (dalla più debole alla più forte) :

        la forza gravitazionale

        la forza elettromagnetica

        la forza nucleare debole

        la forza nucleare forte

01 - La forza gravitazionale.

Tutti i corpi si attraggono gravitazionalmente. La forza gravitazionale è sempre attrattiva ed è 
molto debole. La terra ci attrae a sé ma anche i corpi della nostra esperienza quotidiana si
attraggono gravitazionalmente fra loro, anche se noi non ce ne rendiamo conto perché questa 
attrazione è molto debole.

Solo esperimenti molto accurati evidenziano tali deboli attrazioni.

La forza gravitazionale con cui due corpi si attirano raddoppia se una delle due masse (la massa 
è la "quantità di materia" di cui è formato un corpo) raddoppia, triplica se una delle due masse 
triplica ecc. : la forza di gravità si dice allora che è proporzionale alle masse dei corpi.

La forza gravitazionale con cui due corpi si attirano quadrupica se la distanza fra le due masse 
dimezza, diventa nove volte tanto se la distanza diventa un terzo, oppure la forza diventa un 
quarto se la distanza raddoppia, diventa un nono se la distanza triplica ecc. : la forza di gravità 
si dice allora che è inversamente proporzionale al quadrato delle distanze fra i corpi.

Un'altra fondamentale caratteristica della gravitazione è che i corpi ad essa soggetti vengono 
accelerati da essa nello stesso modo, indipendentemente dalla loro massa. Ciò si può verificare 
semplicemente facendo cadere due corpi diversi da uguale altezza. Se facciamo in modo che 
l'attrito dell'aria non disturbi troppo l'esperimento, si vedrà che i corpi cadono sul pavimento 
nello stesso modo.

Questa particolarità della forza di gravitazione fu il punto di partenza da cui Einstein elaborò
la sua teoria della relatività generale.

La forza gravitazionale fu studiata e descritta "scientificamente" per la prima volta nella storia 
dell'umanità dal grande fisico e matematico Isaac Newton nella seconda metà del '600.

Egli intuì che la forza di gravitazione è universale, cioè ad essa sono sottoposti tutti i corpi
che costituiscono l'universo, sia i corpi della nostra esperienza quotidiana qui sulla terra che 
i corpi celesti, stelle pianeti, satelliti ecc.

La teoria matematica che Newton propose per spiegare la gravità fu il primo esempio di
creazione di una teoria unificatrice, cioè che unifica fenomeni che avvengono ovunque 
nell'universo.

Newton riuscì a spiegare con questa teoria come i corpi cadono sulla superficie della terra,
come la luna ruota attorno alla terra e come i pianeti ruotano attorno al sole e lo fece con la 
stessa formula matematica.

Prima di Newton, già da un secolo, era avvenuta la rivoluzione copernicana. Si era cioè 
capito che la terra non sta al centro e gli altri corpi celesti le ruotano attorno, ma è il sole 
che sta al centro e gli altri pianeti gli ruotano attorno seguendo orbite ellittiche.

Però non si sapeva perché (dal punto di vista matematico) ciò avvenisse. Newton trovò una 
spiegazione matematica al modo che hanno i pianeti di girare attorno al sole tramite appunto la
sua teoria della gravitazione universale.

Prima della rivoluzione copernicana, la teoria tolemaica affermava che i corpi celesti non erano
corpi materiali, ma corpi "perfetti" che ruotavano attorno alla terra su orbite "perfette" (circolari).

Dal punto di vista scientifico si accettavano le idee di Aristotele risalenti addirittura al quarto 
secolo avanti Cristo secondo le quali i corpi cadono perché cercano spontaneamente di 
ricongiungersi al luogo da cui sono stati generati (la terra, appunto).

02 - La forza elettromagnetica.

La materia è costituita da atomi i quali sono formati da protoni, neutroni ed elettroni. I protoni 
ed i neutroni, più pesanti (circa 2000 volte più pesanti degli elettroni), costituiscono il nucleo e 
gli elettroni, più leggeri, vi ruotano attorno.

I protoni trasportano una carica elettrica positiva mentre gli elettroni una carica (di uguale valore)
negativa. I neutroni non sono elettricamente carichi.

Fra le cariche elettriche si instaurano forze che hanno la proprietà fondamentale di essere attrattive
o repulsive a secondo che le cariche che generano queste forze siano di segno opposto o dello 
stesso segno : cariche elettriche di segno opposto si attraggono, cariche elettriche di ugual segno  
si respingono.

Gli atomi sono composti da uguali numeri di cariche positive e negative per cui, esternamente, 
essi appaiono elettricamente neutri.

Per questo motivo, a grandi distanze la forza elettromagnetica è ininfluente, mentre la forza 
gravitazionale è sempre presente ed è quella che fa muovere i pianeti attorno alle stelle, i satelliti 
attorno ai pianeti, le stelle dentro le galassie ecc. E' la forza gravitazionale che "tiene in piedi" 
l'universo.

Una caratteristica fondamentale delle cariche elettriche è che, se fatte muovere in modo accelerato 
(non in moto rettilineo uniforme), esse emettono onde elettromagnetiche.

Le onde elettromagnetiche sono le onde radio, tv, telefoni cellulari, microonde, raggi infrarossi, luce 
visibile dal rosso al violetto, raggi ultravioletti, raggi X e raggi gamma.

Se faccio oscillare una carica elettrica emetto onde elettromagnetiche che, attraversando lo 
spazio, possono raggiungere altre cariche elettriche poste a distanza facendole a loro volta 
oscillare. Così, modulando appositamente l'oscillazione della carica che trasmette, si effettua 
una trasmissione radio.

Le forze elettromagnetiche sono la causa della forma, della struttura, di tutte le proprietà chimiche ecc.
dei corpi che ci circondano. Gli atomi, che sono di vario tipo (un centinaio) a seconda di quanti protoni, 
neutroni ed elettroni (in ugual numero dei protoni) sono fatti, si combinano, grazie alle forze elettriche, in 
molecole che formano tutti i corpi.

Per esempio, un atomo di ossigeno si combina elettricamente con due atomi di idrogeno e 
formano una molecola di acqua che ha forma, aspetto e proprietà completamente diverse 
dagli atomi che la compongono. Addirittura una molecola d'acqua (H2O) presenta una 
"polarità", ovvero appare un po' allungata presentando una maggiore carica positiva da un 
lato ed una maggiore carica negativa dal lato opposto. Per questo motivo, versando molte 
sostanze (dello zucchero, per esempio) nell'acqua esse si sciolgono, ovvero i loro legami 
elettrici vengono in qualche modo "allentati", disturbati.

03 - La forza nucleare debole.

Di questa forza non diremo tanto, perché fra le quattro, è sicuramente la meno "eclatante". 
Diremo solo che un neutrone è in effetti la fusione fra un protone ed un elettrone e questo 
grazie appunti alla forza nucleare debole.

Allora un neutrone può rompersi e formare un protone ed un elettrone. Questo è ciò che 
succede nel fenomeno della radioattività naturale. Nuclei di atomi non particolarmente stabili 
possono così decadere emettendo elettroni (detti anche, in questo caso, raggi beta).

Anni fa, in conclusione, si è dimostrato che la forza nucleare debole e la forza elettromagnetica 
in effetti sono facce diverse di una stessa forza, la forza elettrodebole. L'avere dimostrato 
sperimentalmente questo fece guadagnare il premio Nobel al fisico Carlo Rubbia.

Deduciamo allora che le forze presenti in natura sono in effetti tre.

04 - La forza nucleare forte.

Nel nucleo degli atomi vi sono protoni e neutroni. Il nucleo ha dimensioni estremamente piccole
per cui i protoni, carichi positivamente, si dovrebbero respingere elettricamente in maniera enorme 
ed in modo tale da non poter effettivamente stare nel nucleo.

Il nucleo, invece, è un oggetto molto stabile (a parte le eccezioni dovute ai fenomeni radioattivi
o se viene bombardato) in cui i protoni sono posti a distanze enormemente piccole, non compatibili
con le leggi elettromagnetiche. 

Esso è tenuto assieme dalla forza nucleare forte che, intervenendo quando i protoni sono più vicini 
di una certa distanza limite, neutralizza le forze elettriche repulsive e fa sì che il nucleo si formi.

Si capisce da questo che l'energia nucleare è enorme e quando si libera, come nelle bombe atomiche,
nei reattori atomici o nel nucleo delle stelle, gli effetti sono impressionanti.

Concludiamo dicendo che la genesi, la creazione dei nuclei degli atomi, ovvero dei vari tipi di atomi
avviene nelle stelle le quali poi ne "inseminano" l'universo. 

Fine. 

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