Insegnare fisica/Basi cognitive/Forze

Uno dei problemi più grossi riguardanti la cognizione del concetto di forza è dovuto al fatto che, istintivamente, lo associamo alla reazione muscolare. Per esempio, se spingiamo una persona sulla spalla saremo soltanto noi a creare una forza, mentre se entrambi spingiamo con le mani dell’uno su quelle dell’altro allora le forze sarebbero due. Questo accade perché tendiamo a sfruttare la “mappatura” delle azioni sul nostro corpo per capire l’intenzionalità di un atto osservato, caratteristica che, tra le altre cose, rende il principio di azione e reazione tra i meno compresi. Di seguito i fraintendimenti più comuni concernerti il concetto di forza:

Lo stato “naturale” di un oggetto è di essere a riposo e, qualora si trovasse in questo stato, non avrebbe nessuna forza agente su di sé.
Le forze sono connesse per lo più agli esseri viventi (come già menzionato sopra)
Oggetti più grandi esercitano forze più intense.
Il fatto che un oggetto non si fermi può portare all’interpretazione che ci sia una forza agente sull’oggetto, anche nel caso in cui il moto sia a velocità costante.
La quantità di moto di un oggetto è proporzionale al numero di forze applicate.
Queste ipotetiche forze diventano più comuni se ne è presente una che si oppone al moto. In questo caso l’oggetto continua a muoversi perché la forza ipotetica sarebbe maggiore di quella respingente.
Una forza causa spostamenti nella direzione in cui è orienta e viceversa;
Può anche succedere di ritenere che questa forza muoia o si crei in relazione alla variazione di velocità del corpo.

Si vede subito che tutte le precedenti affermazioni si contrappongono nettamente a quelli che sono i principi della dinamica ad oggi riconosciuti, dove lo stato naturale di un corpo è quello di mantenere la velocità costante nel tempo (unico caso in cui la somma delle forze risulta uguale a zero) e quindi dove l’azione di eventuali forze si manifesta solo in presenza di una variazione di velocità (ovvero di una accelerazione). Emerge dunque una difficoltà da parte degli studenti nel comprendere il significato ontologico dell’equazione $F=ma$ , associando quindi il concetto di forza con quello di inerzia (ovvero confondendo accelerazione con velocità). Inoltre, parte di questi fraintendimenti nascono dal fatto di non considerare l’attrito come una forza e ritenere, di conseguenza, che il processo di rallentamento sia una proprietà intrinseca dei corpi. Dopo aver frequentato un corso di fisica universitario, la percentuale di studenti che sembra aver abbandonato questi preconcetti è circa il doppio, ma la parte di quelli che ancora cascano in errore resta comunque considerevole (circa il 30%).

Alcune ricerche mostrano come gli studenti abbiano difficoltà nell’assimilare la nozione di forza anche per via di una tendenza individuale a considerarla erroneamente come una sorta di “sostanza” (per esempio, possono pensarla come a un qualcosa che un oggetto possiede e che consuma). Altri studi concernenti oggetti sia in movimento che stazionari, rilevano che la maggior parte dei bambini in età compresa tra i 4 e i 15 anni usano un piccolo numero di concezioni relativamente ben definite e coerenti. Le visioni principali riguardanti le forze sono interne, acquisite, lo spingere e il tirare e la gravità, ovvero la maggior parte dei bambini ritiene che le forze siano una proprietà interna degli oggetti, connesse al loro peso o alla loro grandezza. Una pietra molto grande, per esempio, avrà più forza di un’altra più piccola. Il fatto di unire i valori di “spingere/tirare” e “gravità” è spesso frutto di istruzione scolastica.

Anche in questo caso, il fatto di associare l’idea di forza con quella di moto non è un fatto isolato. Troviamo lo stesso concetto nell’interpretazione pre-newtoniana di una freccia che, mossa da una forza esercita dall’arco, vibra in aria accompagnata da una ugual forza (o teoria d’impeto); o nella filosofia aristotelica, dove lo stesso tipo di freccia si muove grazie alle forze esercitate dai flussi di aria circostante la medesima. Anche il fatto di ritenere che lo stato naturale di un corpo sia quello di essere fermo fa parte della filosofia Aristotelica, come il ritenere che gli oggetti rallentino spontaneamente.