Il corpo rigido, preso in senso stretto, non
esiste. Esso è infatti solo una astrazione comoda per il trattamento di problemi
nei quali le forze in gioco non provocano deformazioni apprezzabili nei corpi
solidi e le velocità sono piccole rispetto a quella del suono nei materiali
utilizzati. Se prendiamo il caso dei componenti meccanici di una macchina, quasi
sempre la meccanica del corpo rigido è sufficiente a determinare importanti
parametri di funzionamento. Anche nel caso di strutture fisse ipo o iso statiche
la statica del corpo rigido è sufficiente a risolvere la struttura. Data la
notevole semplicità delle equazioni che governano la meccanica del corpo rigido
si capisce come queste siano molto usate ovunque possibile.
Un "corpo rigido" in senso stretto è, dicevamo,
un'astrazione che presuppone non solo la sua indeformabilità, ma la "istantanea"
propagazione degli sforzi. Questi in realtà si propagano con la velocità del
suono nel materiale, ma, essendo questa di solito piuttosto elevata, la si può,
senza grave errore, considerare infinita e quindi: "propagazione immediata".
Cio' premesso è chiaro che in corpo
rigido in senso stretto non ha senso parlare di "sforzi interni": l'equazione
degli sforzi, non avendo un tensore elastico che la mette in relazione col
tensore di deformazione avrebbe soluzione indeterminata.
Quindi un corpo rigido starà o meno in
equilibrio oppure si muoverà obbedendo alle equazioni generali della statica o della
dinamica che contemplano la risultante delle forze applicate e i loro momenti
rispetto a un punto arbitrario qualsiasi. Esse forniscono tre equazioni scalari
(risultante delle forze) e altre tre (risultante dei momenti) che "soddisfano" i
sei gradi di libertà del corpo rigido (tre traslazionali e tre angolari). Questa
è la semplicità da cui, come dicevamo, deriva l'appeal del corpo rigido.
Da quanto appena detto, siccome la risultante
delle forze non varia variando il loro punto di applicazione e il momento di una
forza rispetto a un punto non varia se la forza si sposta lungo la sua retta
d'azione, vale per il corpo rigido la condizione più restrittiva cioé la
seconda.
I corpi "reali" sono invece deformabili. Ne
risulta che spostando il punto di applicazione di una forza anche se lungo la
sua retta d'azione le deformazioni o addirittura i danni permanenti possono
variare molto. Ben diverso è infatti se il nostro peso è bilanciato dalla forza
del suolo contro le piante dei piedi o dalla stessa forza lungo la stessa retta
applicata da un cappio intorno al nostro collo.
O più semplicemente un'asta può avere applicata
una certa forza a una sua estremità (per semplicità orientata come l'asta e
uscente da essa). Questa forza sarà equilibrata da un'altra, p.es. all'altra
estremità uguale e contraria e l'asta starà ferma. Se spostiamo la prima forza
lungo l'asta fino all'estermo opposto, agli effetti della stabilità (corpo
rigido) non cambierà nulla, agli effetti del materiale dell'asta nel primo caso
essa sarà tesa nel secondo caso sarà tesa solo la porzione di asta compresa tra
i punti di applicazione delle due forze. Essa (porzione tesa) diminuirà man mano
che le due forze si avvicineranno tra loro. Lo sforzo nel tratto teso si
manterrà invece sempre costantemente uguale al valore di una delle due forze.
I corpi reali possono venire studiati
applicando le leggi del corpo rigido agli elementi infinitesimi che li
costituiscono. Il problema, come accennato prima, non avrebbe però soluzione se
non si introducesse la deformabilità dei corpi stessi. Questa caratteristica è
molto variabile da sostanza a sostanza:
Comprimibiltà marcata e nessuna resistenza
statica allo scorrimento nei gas
Comprimibilità molto ridotta e ancora nessuna
resistenza statica allo scorrimento nei liquidi.
Resistenza elastica o plastica sia alla
compressione/estensione sia allo scorrimento nei solidi
Queste caratteristiche, formalizzate in
equazioni che sarebbe eccessivo trattare in questa risposta (si rimanda chi ne
avesse voglia a un buon manuale di scienza delle costruzioni) consentono di
calcolare sforzi e deformazioni un un buon numero di casi interessanti. La
soluzione generale dell'equazione non ce la sognamo neppure. Il signor Saint
Venant
(Adhemar Jean Claude Barré de Saint-Venant 1797-1886),
dopo una celebre critica, ne ha risolto
infatti i casi più significativi, ancora oggi chiamati "casi di Saint Venant", che
consentono di calcolare gli sforzi nella maggior parte delle costruzioni
classiche. Inoltre, con i computer, oggi si possono risolvere in forma numerica a bassi
costi casi complessi che una volta non sarebbero stati praticamente calcolabili.
Tutto quanto sopra per dire che una forza, applicata a un solido reale, propaga
all'interno di esso una distribuzioni di sforzi che variano a seconda del punto
di applicazione, anche se lungo la stessa retta ma anche della natura del corpo
stesso (forma, tipo di materiale, omogeneità, isotropia etc...).
In conclusione: si applicano le leggi del corpo rigido per un primo studio
macroscopico se possibile. Non sempre si può, p.es la risoluzione di una struttura iperstatica non
può essere fatta neanche in prima battuta prescindendo dalla deformabilità. Uno studio "di fino"
richiede quasi sempre di considerare il corpo come un continuo deformabile. E in
questo caso il punto e non la retta di applicazione delle forze conta eccome!
Ti è piaciuta questa risposta? Ti è risultata utile? Se si, ti invitiamo a sostenere "Chiedi all'esperto" con una piccola donazione, che servirà a coprire le spese di gestione del sito. |