Il Modello delle Forze
1.2 D1 — PCI, classe terza CAT

Il Modello delle Forze

Come si rappresenta una forza, come si scompone nel piano, e quali convenzioni di segno adottare per calcolarne gli effetti su una struttura.

Materia — Progettazione, Costruzione e Impianti Indirizzo — CAT, Costruzioni Ambiente e Territorio Durata — 2 ore
F Fx Fy α
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Dall’analisi dei carichi al calcolo strutturale

Nelle prime unità di questa materia (moduli A, B, C) abbiamo imparato a individuare e quantificare i carichi che agiscono su un edificio: pesi propri, carichi variabili, neve, vento. Da qui in avanti, il modulo 1.2 affronta il passo successivo: come quei carichi si trasformano, all’interno della struttura, in sollecitazioni che ogni elemento deve essere in grado di sopportare.

Il primo passo per farlo è avere un modello matematico rigoroso della forza: come si rappresenta, come si scompone, come si somma. È l’oggetto di questa tavola, ed è il fondamento su cui si costruisce tutto il calcolo strutturale.

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La forza come grandezza vettoriale

Una forza non è completamente descritta da un solo numero: per caratterizzarla servono tre informazioni indipendenti. È per questo che la forza è una grandezza vettoriale, non scalare.

Modulo

L’intensità della forza, un numero positivo.

N, kN (newton, kilonewton)

Direzione

La retta lungo cui la forza agisce (la sua retta d’azione).

es. orizzontale, verticale, inclinata di un angolo α

Verso

Il senso in cui la forza agisce lungo quella retta, dei due possibili.

es. verso l’alto / verso il basso
Una quarta informazione, il punto di applicazione, non fa parte del vettore in senso stretto, ma è indispensabile per individuare gli effetti della forza sul corpo — in particolare il momento, come vedremo nella tavola 06.
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Rappresentazione grafica e unità di misura

Graficamente, una forza si rappresenta con una freccia: la lunghezza (in scala) rappresenta il modulo, l’inclinazione la direzione, la punta il verso.

Nel Sistema Internazionale, l’unità di misura della forza è il newton (N), definito come la forza che imprime a una massa di 1 kg un’accelerazione di 1 m/s². Nel calcolo strutturale, dove i carichi sono tipicamente di migliaia di newton, si usa quasi sempre il suo multiplo, il kilonewton (kN).

1 kN = 1000 N ≈ il peso di una massa di 100 kg
Questa equivalenza pratica (1 kN ≈ 100 kg-peso) è utile per farsi subito un’idea “fisica” di un valore numerico: un carico di 5 kN corrisponde, approssimativamente, al peso di 500 kg.
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Scomposizione di una forza: le componenti cartesiane

Per i calcoli è quasi sempre più comodo lavorare non con modulo e direzione, ma con le due componenti cartesiane della forza, cioè le sue proiezioni su due assi ortogonali x e y (l’immagine di apertura di questa tavola).

Fx = F · cos α
Fy = F · sen α

dove α è l’angolo che la forza forma con l’asse x. Le due componenti Fx e Fy sono a loro volta due forze, dirette lungo gli assi, il cui effetto combinato (la loro somma vettoriale) riproduce esattamente la forza F originale.

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Dalle componenti al modulo: il percorso inverso

Se invece si conoscono già le due componenti Fx e Fy (per esempio, perché sono il risultato di un calcolo precedente), si può risalire al modulo e alla direzione della forza risultante applicando il teorema di Pitagora e la trigonometria.

F = √(Fx² + Fy²)
α = arctan(Fy / Fx)
Le due formule della tavola 04 e quelle di questa tavola sono l’una l’inversa dell’altra: si passa da (F, α) a (Fx, Fy) e viceversa, a seconda di quale delle due rappresentazioni serve per il calcolo che si sta facendo.
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Il momento di una forza

Una forza non applicata esattamente nel baricentro di un corpo (o comunque non allineata con un punto fisso di riferimento) tende anche a farlo ruotare. Questa tendenza alla rotazione si misura con il momento della forza rispetto a un punto, detto polo.

M = F · b

dove b è il braccio: la distanza minima (misurata perpendicolarmente) tra la retta d’azione della forza e il polo scelto. Il momento si misura in N·m (o kN·m): una forza moltiplicata per una lunghezza.

O F b
il braccio b è sempre misurato perpendicolarmente alla retta d’azione della forza, mai lungo un altro segmento qualsiasi
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Convenzione di segno per il momento

Come per ogni grandezza che può avere due versi opposti, il momento richiede una convenzione di segno, da fissare una volta per tutte e mantenere coerente in tutto il calcolo.

In questo corso adottiamo la convenzione: momento positivo se la rotazione indotta è oraria, negativo se antioraria. È una scelta arbitraria — è del tutto legittimo adottare la convenzione opposta — ma una volta scelta va rispettata sempre, altrimenti i segni nelle equazioni di equilibrio (che vedremo più avanti) perdono di significato.
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Convenzione di segno per le forze

Anche le componenti Fx e Fy hanno bisogno di una convenzione di segno legata al sistema di riferimento scelto.

ComponenteConvenzione
Fxpositiva se concorde con il verso positivo dell’asse x (tipicamente verso destra)
Fypositiva se concorde con il verso positivo dell’asse y (tipicamente verso l’alto)
Una forza diretta verso il basso (come quasi tutti i carichi gravitazionali: peso proprio, neve, arredi) ha quindi Fy negativa, se l’asse y è orientato verso l’alto, come da convenzione più diffusa. È un dettaglio da tenere sempre a mente per non sbagliare segno nelle equazioni di equilibrio.
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Tipi di forze: concentrate e distribuite

Nella realtà costruttiva, i carichi si presentano secondo due modalità fisiche molto diverse, che richiedono modelli matematici distinti.

Forza concentrata

Applicata (o idealizzata come applicata) in un punto preciso. Esempio: il carico trasmesso da un pilastro puntuale su una trave, o il peso di un macchinario.

Unità: N, kN

Forza distribuita

Applicata con continuità lungo una lunghezza, su una superficie o in un volume. Esempio: il peso proprio di una trave, il carico della neve su una copertura.

Unità: N/m, kN/m (lineare) — N/m², kN/m² (superficiale)
La scelta tra i due modelli non dipende solo dalla realtà fisica del carico, ma anche dalla scala di osservazione: il peso di una persona è, a rigore, distribuito sulla pianta dei piedi, ma nel calcolo di una trave lo si tratta quasi sempre come forza concentrata, perché l’area di contatto è trascurabile rispetto alla luce dell’elemento.
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Il carico distribuito uniforme

Il caso più semplice e più frequente di carico distribuito è quello uniforme: la stessa intensità q in ogni punto della lunghezza (o area) su cui agisce.

q = costante lungo tutta la lunghezza L

Si rappresenta graficamente con una serie di frecce parallele, tutte della stessa lunghezza, appoggiate su una linea di base — il cosiddetto diagramma di carico rettangolare. Il valore numerico di q è già una densità di carico (per unità di lunghezza o di area): non un valore da moltiplicare ulteriormente per una densità.

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Il carico distribuito variabile

Quando l’intensità del carico varia da punto a punto, si parla di carico distribuito variabile. Il caso più comune in questo corso è quello triangolare, con q che cresce (o decresce) linearmente da zero a un valore massimo qmax.

Carico rettangolare

q costante su tutta la lunghezza L.

Carico triangolare

q variabile da 0 a qmax, con legge lineare.

Il diagramma di carico triangolare compare tipicamente nella spinta idrostatica (l’acqua su un muro di contenimento) e nella spinta delle terre: due casi in cui l’intensità della pressione cresce linearmente con la profondità.
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Riepilogo dei concetti chiave

  • Una forza è una grandezza vettoriale: modulo, direzione, verso (più il punto di applicazione)
  • Unità di misura nel calcolo strutturale: il kilonewton (kN), con 1 kN ≈ peso di 100 kg
  • Una forza si scompone in componenti cartesiane: Fx = F·cos α, Fy = F·sen α
  • Dal percorso inverso si risale a modulo e direzione: F = √(Fx² + Fy²), α = arctan(Fy/Fx)
  • Il momento di una forza rispetto a un polo è M = F·b, dove b è il braccio (distanza perpendicolare dalla retta d’azione)
  • Convenzione di segno adottata nel corso: momento positivo se orario, negativo se antiorario
  • Le componenti Fx, Fy sono positive se concordi con il verso positivo degli assi x, y
  • Le forze si distinguono in concentrate (N, kN) e distribuite (N/m, kN/m o N/m², kN/m²)
  • I carichi distribuiti più comuni sono rettangolari (uniformi) e triangolari (variabili linearmente, tipici di spinte idrostatiche e spinte delle terre)
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Esercizio guidato

verifica di comprensione

Scomposizione e momento di una forza inclinata

Una forza F = 20 kN è applicata con un’inclinazione di 30° rispetto all’orizzontale, a una distanza verticale di 2,5 m da un polo O posto sulla stessa verticale del punto di applicazione. Calcolare le componenti Fx, Fy e il momento di F rispetto a O.

Suggerimento — usa le formule della tavola 04 per Fx e Fy. Per il momento, ricorda che il braccio b va misurato perpendicolarmente alla retta d’azione di F, non lungo la distanza verticale data: puoi anche calcolarlo come somma dei momenti delle due componenti Fx e Fy rispetto a O, ciascuna con il proprio braccio più semplice da individuare.