Nel paragrafo precedente abbiamo visto che in ogni moto circolare uniforme (non solo quello della ISS) esiste un’accelerazione vettoriale che punta sempre verso il centro della traiettoria.

Per il secondo principio della dinamica, allora, questa accelerazione centripeta deve essere causata da una forza che è sempre rivolta verso il centro.

Affinché un oggetto si muova di moto circolare uniforme, è necessario che subisca una forza verso il centro, chiamata forza centrìpeta, che cambia la direzione del vettore velocità, ma non il suo valore..

Il ruolo della forza centripeta è visibile, per esempio, nel lancio del martello, dove l’atleta fa ruotare una sfera metallica di moto circolare uniforme; poi improvvisamente la lascia, per scagliarla lontano (figura 18).

• La sfera tende per inerzia a muoversi in linea retta lungo la tangente, ma l’atleta la tira verso di sé, obbligandola continuamente a modificare la direzione della velocità.
• La forza verso il centro serve per mantenere la sfera su un’orbita circolare, impedendo che sfugga lungo la tangente, come accade quando l’atleta la lascia andare.

Altri esempi di forza centripeta:

Per il secondo principio della dinamica, l’intensità della forza \(\vec F\), su un corpo di massa \(m\) che si muove con accelerazione di valore a, è \(F = ma\).

Ricordando le formule (19) e (20), nel caso di un moto circolare uniforme l’intensità della forza centripeta \(F_{c}\) è data da

Quando ci troviamo in un’automobile che descrive una curva abbiamo l’impressione che ci sia una forza che ci spinge verso l’esterno. Questa forza sembra così reale che le si è dato anche un nome: forza centrifuga.

In realtà, la forza centrifuga è soltanto una delle forze apparenti che incontriamo nella vita quotidiana. Per esempio, se un autobus accelera di colpo o frena improvvisamente, avvertiamo una «forza» che ci spinge all’indietro (nel primo caso) o in avanti (nel secondo caso); in realtà, nessuno ci spinge o tira.

Questa forza apparente è dovuta soltanto al fatto che, mentre l’autobus accelera o frena, per il principio di inerzia il nostro corpo tende a mantenere la velocità che aveva prima e, quindi, rimane indietro se l’autobus accelera o va in avanti se esso diminuisce la propria velocità.

La forza apparente è il segnale del fatto che l’autobus (mentre varia la propria velocità) non è un sistema di riferimento inerziale.

Allo stesso modo, l’auto che curva è soggetta all’accelerazione centripeta. Così il sistema di riferimento dell’automobile è non inerziale e in esso si avvertono delle forze apparenti.

Per fare un esempio, consideriamo un CD appoggiato sul portaoggetti posteriore di un’automobile.

Per il principio d’inerzia, durante la curva il CD tende a muoversi con la stessa velocità vettoriale che aveva all’inizio della curva. All’interno dell’auto si vede il CD muoversi verso sinistra e si ha l’impressione che esista una forza (la forza centrifuga) che agisce su di esso.

Come abbiamo detto più volte, la stazione spaziale ISS mantiene la sua orbita (e non si perde nello spazio) grazie all’effetto della forza-peso che la «lega» alla Terra. Ma, allora, perché gli astronauti che si trovano all’interno della stazione appaiono senza peso?

Per capirlo cominciamo a esaminare un caso più semplice, quello di una persona che si trova in un ascensore in caduta libera. L’ascensore, la persona e tutti gli oggetti presenti cadono con la stessa accelerazione \(\vec g\).

La figura 19 schematizza questa situazione: i rettangoli rappresentano l’ascensore in caduta, osservato a intervalli di tempo uguali. Il punto rosso rappresenta la persona nell’ascensore. Il punto blu indica un mazzo di chiavi che la persona ha lasciato andare all’inizio della caduta. Sono visualizzati anche i vettori velocità con cui la persona e le chiavi si muovono verso il basso, e l’ascensore precipita anch’esso con la stessa velocità.

Visto che tutti i corpi (l’ascensore, la persona, le chiavi) hanno, istante per istante, la stessa velocità, alla persona sembra di «fluttuare» nell’ascensore, visto che non riesce a «poggiare» i piedi sul fondo. Inoltre, la persona vede le chiavi ferme a mezz’aria di fianco a sé, come se fluttuassero. Se si appoggia su una bilancia, la persona legge un valore di zero kilogrammi, perché la bilancia, cadendo, «scappa» via dai piedi della persona.

Fino a quando l’ascensore non arriva al suolo, nel sistema di riferimento (non inerziale) dell’ascensore gli oggetti si comportano come se non avessero peso.

La figura 20 mostra il moto della stazione orbitale e di un astronauta al suo interno (di cui è mostrato il vettore velocità). Ancora una volta, stazione e astronauta cadono con la stessa accelerazione per effetto della forza-peso. Muovendosi con la stessa legge del moto della stazione, l’astronauta si ritrova sempre fermo rispetto a essa e «fluttua» al suo interno.

Lo stesso accade, naturalmente, a ogni altro astronauta e a tutti gli oggetti che si trovano nella stazione.

Quindi la stazione spaziale costituisce un sistema di riferimento non inerziale (visto che è accelerato rispetto al sistema IRC), ma di tipo particolare: nel suo volume limitato, un corpo fermo, su cui non agiscono forze, rimane fermo. In tale sistema, i princìpi della dinamica sono validi. È per questo che nel capitolo precedente abbiamo visto le immagini di esperimenti che confermano tali princìpi.