Forze di superficie e forze di volume

La forza è una proprietà che cambia lo stato di moto di qualunque corpo materiale. Lo stato di quiete non esiste nell’universo, tutto è in moto continuo (un oggetto che per noi è fermo in realtà gira con la Terra, ruota attorno al Sole, che ruota attorno alla galassia, ecc.). Cambiare lo stato di moto significa causare un cambiamento di velocità (=spazio/tempo), ossia una accelerazione, “a” nella formula classica (seconda legge del moto di Newton):

F = ma

Le dimensioni della forza sono Massa x Lunghezza / Tempo al quadrato (MLT-2). Nel caso delle forze gravitazionali: F = mg; g = 981 cm/s2 (accelerazione di gravità = centimetri al secondo per secondo); m = 1g

geodin-driving_forcesIn geologia, le forze che controllano lo sviluppo delle strutture tettoniche sono principalmente forze gravitazionali, secondariamente forze che derivano da variazioni termiche all’interno della Terra, che producono moti convettivi e quindi di masse che si spostano per via delle diverse temperature nelle parti duttili del pianeta.

geodin-F_AL’effetto meccanico di una forza dipende dalle dimensioni dell’area su cui agisce. La quantità di forza che agisce per unità di superficie è detta “sforzo” (stress) σ = F/A ed ha quindi le stesse dimensioni della pressione (cgs: ML-1T-2 = dyne / cm2 ; SI: 1N / m2 = 1 Pascal – come per la pressione).

geodin-componenti sforzoLe componenti normale (Fn) e tangenziale (Fs) della forza generano componenti dello sforzo perpendicolari (sforzo normale σn) e paralleli (sforzo di taglio τ) alla superficie.

σn = Fn / A = F sin Θ / A

τ = Fs / A = F cos Θ / A

In geologia le unità usate sono il “bar” od il suo multiplo “kilobar”: 1 bar ≈ 1 atm = 105 Pa (gradiente medio: 1 kbar ogni 4 km di profondità)geodin-forze. Una distribuzione continua di particelle è chiamata “mezzo continuo”. Quando una forza agisce su di un qualunque corpo, che è un mezzo continuo, essa viene trasmessa ad ogni singola particella che lo costituisce (le particelle del continuo sono in contatto tra loro si trasmettono l’un l’altra la forza). Queste forze si distinguono in forze di superficie e forze di volume.

Le forze di volume sono proporzionali al volume del materiale (ad es. F = mg, dove m dipende da volume e densità); le forze di superficie dipendono dall’area interessata (es. la resistenza al vento). Le forze di volume hanno dimensioni di forza per unità di volume; le forze di superficie hanno unità di forza per unità di area.