FORZA DI TAGLIO: FORZE DI SUPERFICIE E DI MASSA - FISICO - 2024

La forza di taglio è una forza composta che si caratterizza per essere parallela alla superficie su cui viene esercitata e tende a dividere il corpo, spostando le sezioni risultanti dal taglio.

È schematicamente rappresentato nella figura 1, in cui è mostrata una forza di taglio applicata a due diversi punti di una matita di legno. La forza di taglio a sua volta richiede due forze parallele e opposte, che a seconda della loro intensità, sono in grado di deformare la matita o di fratturarla definitivamente.

Figura 1. la forza di taglio applicata con le mani provoca la rottura della matita. Fonte: Pixabay.

Quindi, anche se parliamo della forza di taglio al singolare, in realtà vengono applicate due forze, poiché la forza di taglio è una forza composta. Queste forze sono costituite da due forze (o più, in casi complessi) applicate in punti diversi su un oggetto.

Due forze della stessa grandezza e direzione opposta, ma con linee di azione parallele, costituiscono una coppia di forze. Le coppie non forniscono la traduzione agli oggetti, poiché la loro risultante è zero, ma forniscono una coppia netta.

Con una coppia, oggetti come il volante di un veicolo vengono ruotati, oppure possono essere deformati e rotti, come nel caso della matita e della tavola di legno mostrata in Figura 2.

Figura 2. La forza di taglio divide una barra di legno in due sezioni. Notare che le forze sono tangenziali alla sezione trasversale del tronco. Fonte: F. Zapata.

Forze di superficie e forze di massa

Le forze composte fanno parte delle cosiddette forze di superficie, proprio perché sono applicate sulla superficie dei corpi e non sono in alcun modo correlate alla loro massa. Per chiarire il punto, confrontiamo queste due forze che agiscono frequentemente sugli oggetti: peso e forza di attrito.

L'entità del peso è P = mg e poiché dipende dalla massa del corpo, non è una forza superficiale. È una forza di massa e il peso è l'esempio più caratteristico.

Ora, l'attrito dipende dalla natura delle superfici di contatto e non dalla massa del corpo su cui agisce, quindi è un buon esempio di forze superficiali che compaiono frequentemente.

Forze semplici e forze composte

Le forze superficiali possono essere semplici o composte. Abbiamo già visto un esempio di forza composta nella forza di taglio, e da parte sua l'attrito è rappresentato come una forza semplice, poiché una singola freccia è sufficiente per rappresentarla nel diagramma del corpo isolato dell'oggetto.

Le forze semplici sono responsabili della stampa delle modifiche al movimento di un corpo, ad esempio sappiamo che la forza di attrito cinetico tra un oggetto in movimento e la superficie su cui si muove, si traduce in una riduzione della velocità.

Al contrario, le forze composte tendono a deformare i corpi e nel caso di cesoie o cesoie il risultato finale può essere un taglio. Altre forze superficiali come la tensione o la compressione allungano o comprimono il corpo su cui agiscono.

Ogni volta che si taglia il pomodoro per preparare la salsa o si usa una forbice per sezionare un foglio di carta, valgono i principi descritti. Gli utensili da taglio di solito hanno due lame di metallo affilate per applicare la forza di taglio sulla sezione trasversale dell'oggetto da tagliare.

Figura 3. Forza di taglio in azione: una delle forze è esercitata dalla lama del coltello, l'altra è quella normale esercitata dal tagliere. Fonte: foto di cibo creata da katemangostar - freepik.es

Sforzo di taglio

Gli effetti della forza di taglio dipendono dall'entità della forza e dall'area su cui agisce, quindi in ingegneria è ampiamente utilizzato il concetto di sforzo di taglio, che tiene conto sia della forza che dell'area.

Questa sollecitazione ha altri significati come tensione di taglio o sollecitazione di taglio e nelle costruzioni civili è estremamente importante considerarla, poiché molti guasti nelle strutture derivano dall'azione delle forze di taglio.

La sua utilità si capisce subito se si considera la seguente situazione: supponiamo di avere due barre dello stesso materiale ma di diverso spessore che vengono sottoposte a forze crescenti fino alla rottura.

È evidente che per rompere la barra più spessa occorre applicare una forza maggiore, tuttavia lo sforzo è lo stesso per qualsiasi barra che abbia la stessa composizione. Test come questo sono frequenti in ingegneria, data l'importanza di selezionare il materiale giusto affinché la struttura proiettata funzioni in modo ottimale.

Stress e tensione

Matematicamente, se lo sforzo di taglio è indicato come τ, l'entità della forza applicata come F e l'area su cui agisce come A, abbiamo lo sforzo di taglio medio:

Essendo il quoziente tra forza e area, l'unità di sforzo nel Sistema Internazionale è il newton / m ² , chiamato Pascal e abbreviato in Pa. Nel sistema inglese la libbra-forza / piede ² e la libbra-forza / pollici ² .

Ora, in molti casi l'oggetto sottoposto alla sollecitazione di taglio si deforma e poi riprende la sua forma originaria senza effettivamente rompersi, una volta che la sollecitazione ha cessato di agire. Supponiamo che la deformazione consista in un cambiamento di lunghezza.

In questo caso lo stress e la deformazione sono proporzionali, quindi si può considerare quanto segue:

Il simbolo ∝ significa “proporzionale a” e per quanto riguarda la deformazione unitaria, è definito come il quoziente tra la variazione di lunghezza, che verrà chiamata ΔL e la lunghezza originaria, denominata L _o . In questo modo:

Modulo di taglio

Essendo un quoziente tra due lunghezze, la deformazione non ha unità, ma quando si posiziona il simbolo di uguaglianza, la costante di proporzionalità deve fornirle. Chiamando G a detta costante:

G è chiamato modulo di taglio o modulo di taglio. Ha unità Pascal nel Sistema Internazionale e il suo valore dipende dalla natura del materiale. Tali valori possono essere determinati in laboratorio testando l'azione di forze diverse su campioni di varia composizione.

Quando è necessario determinare l'entità della forza di taglio dall'equazione precedente, è sufficiente sostituire la definizione di sollecitazione:

Le forze di taglio sono molto frequenti e i loro effetti devono essere presi in considerazione in molti aspetti della scienza e della tecnologia. Nelle costruzioni compaiono nei punti di appoggio delle travi, possono insorgere durante un incidente e rompersi un osso e la loro presenza è in grado di alterare il funzionamento dei macchinari.

Agiscono su larga scala sulla crosta terrestre provocando fratture rocciose e incidenti geologici, grazie all'attività tettonica. Pertanto sono anche responsabili della formazione continua del pianeta.

Riferimenti

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