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1 LEZIONI DI FISICA PER IL CORSO DI LAUREA IN INFORMATICA Titolare Prof. Fabrizio Gasparini Dipartimento di Fisica Galileo Galilei Via Marzolo 8 Ufficio.

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1 1 LEZIONI DI FISICA PER IL CORSO DI LAUREA IN INFORMATICA Titolare Prof. Fabrizio Gasparini Dipartimento di Fisica Galileo Galilei Via Marzolo 8 Ufficio 172 (ingresso>a sinistra>primo corridoio a destra) Telef Giorno ricevimento : mercoledi mattina ore 9-10 Fisica 1 Meccanica - Termodinamica 3/ed W. Edward Gettys, Frederick J. Keller, Malcolm J. Skove Copyright © 2007 – The McGraw-Hill Companies srl + (oppure) dispense disponibili a: Modificate : 4,6,43 Sdoppiate 7 > 7 e 8 Spostate di numero (+1) e Modificate :22,23,25,40

2 2 PROGRAMMA

3 3 Il moto avviene nello spazio e nel tempo. La posizione cambia e il tempo passa La posizione richiede la definizione di un sistema di riferimento ( X,Y,Z,t) Si misurano U=(X,Y,Z) e t rispetto a (Xo.Yo.Zo) e to La posizione e definita da tre numeri, da un VETTORE (U) Il tempo da uno scalare t, un numero solo. (Att: un numero non e necessariamente adimensionale, e il valore assunto da Una grandezza fisica misurabile in metri. o secondi etc….) Ce moto quando U cambia di dU (in lunghezza e/o direzione) nel tempo dt dU/dt 0 (in senso vettoriale dU/dt = (dX/dt,dY/dt,dZ/dt) O (0000) U dU

4 4 Sistema di riferimento non è possibile parlare di quiete, di moto o posizione in senso assoluto Si vedra perche e quali sono l e conseguenze è sempre necessario stabilire un sistema di riferimento rispetto al quale facciamo l'osservazione P e individuato da una terna ordinata di numeri (x,y,z), con segno. Individuano il segmento OP. OP e un vettore Se si cambia il riferimento i tre numeri cambiano ma OP individua sempre P OP e OP sono dei vettori (raggio vettore) la sua lunghezza e (x2+y2+z2)1/2 (Pitagora) P(x,y,z) Z X Y x y z O o O Sistema levogiro. Il verso positivo delle Rotazioni e antiorario e porta x su y, y su z e z su x I tre numeri (X,Y,Z) sono indipendenti e corrispondono ai tre gradi di liberta di P. Se P si muove nel tempo, X,Y e Z cambiano di valore nel tempo. Il vettore OP = OP(t) = (x(t),y(t),z(t))

5 5 vettori modulo di un vettore: versore u: vettore di lunghezza unitaria: moltiplicazione di un vettore per un numero: somma di due vettori: V aVaVa > 0 bVbV b < 0 B A C

6 6 vettori prodotto scalare di due vettori: e uno scalare, un numero cos θ =cos (- θ) Se B e un vettore unitario U AU = A (1) cos θ = (proiezione di A su U) prodotto vettoriale: e un vettore A X B = C Il suo verso e perpendicolare al piano definito dai vettori A e B e forma con A e B una terna levogira. La sua lunghezza e larea parallelogramma individuato da A e B. Lobbligo di formare una terna levogira fa si che BXA =C opposto a C. modulo del prodotto: A B A BC A B C'C' Prodotto di A per se stesso A A = a x a x + a y a y + a z a z = A 2 sin θ = - sin (- θ)

7 7 Fissare un riferimento (X,Y,Z) e equivalente a fissare tre VERSORI i, j e k perpendicolari tra loro e costanti, essi formano Un a terna levogira (dome nellordine medio,indice e pollice della mano sinistra! Con questa notazione il prodotto vettore e : c = c = (a 2 b 3 – a 3 b 2 ) i + (..) j + (…) k c = b x a = (a 3 b 2 -a 2 b 3 ) i +…….. C e c sono diversi !! Che direzione ha il vettore C (oppure C?). Basta fare il prodotto vettore Di i e j : i j k I x j = = k j x i = -k Il vettore prodotto vettoriale ha direzione perpendicolare al piano di a e b e verso tale da formare con a e b una terna levogira. Il suo modulo = ab sinθ = area del parallelogramma di lati a e b. Notare che k = i x j cioe k rappresenta la rotazione che porta i su j. ( analogamente i per j su k e j per k su i ) X Y Z i j K P O

8 8 X Y Z i j K P O Il vettore OP(t) puo essere rappresentato in Funzione delle sue tra componenti indipendenti OP(t) = (OP i) i + (OP J) J + (OP K) K = = X(t) i + Y(t) J + Z(t) K Poiche i, j e k sono costanti la derivata di OP (velocita di P) e dOP /dt = dx/dt i + dy/dt j + dz/dt k =Vx i +Vy j +Vz k In generale la derivata di un vettore S = s Us con Us parallelo a S di lunghezza 1, ma di direzione variabile. e V = dS/dt = ds/dt Us + s dUs/dt (vedi piu avanti il caso dellaccelerazione)

9 9 Si considerino due situazioni: a)Lancio di un oggetto verso lalto con velocita iniziale V = (Vx,Vy) b)Lancio di un oggetto lungo un piano orizzontale V= (Vx, 0) X Y P (x,y) X y P (X,0) La posizione P e individuta da una coppia ordinata di numeri Nel caso a) variano sia x che y, nel caso b) y = cost=0 θ QUALE E IL PUNTO DI VISTA DELLA FISICA?.

10 10 studiare Lancio di un oggetto: angolo (θ) e velocita iniziale (V), altezza raggiunta, distanza percorsa tempo di volo etc….?? Si possono fare parecchi lanci, misurare tutto etc….. E sapere,che per colpire un oggetto allaltezza Y e nella posizione X, P=(X,Y) si deve lanciare con un certo angolo e velocita (θ,V) Si puo ripetere e trovare come lanciare per (Y1,X1),(Y2,X2) etc….. Un disco lanciato di piatto su un suolo orizzontale con attrito costante : posizione X di arresto in funzione della velocità iniziale. Ripeto il ragionamento ……………….. ce una correlazione tra i valori trovati per le coppie (θi,Vi) verso (Xi,Yi)? Questa correlazione puo essere ottenuta graficamente, per continuita. Cosa succederebbe cambiando loggetto lanciato? Rifare tutte le misure per ogni oggetto., Molto più interessante trovare un formulazione matematica tipo (X,Y) = F (θ,V) In F compariranno dei parametri che dipenderanno ovviamente dalloggetto lanciato (massa) o dal suo peso (forza di gravita) etc…

11 11 F non puo essere arbitraria : deve riprodurre i risultati sperimentali, e dare una risposta corretta per qualunque altro lancio. Quanto bene deve riprodurre i risultati delle misure? Tener conto degli errori di misura ! A questo punto si ha una teoria : una formulazione matematica che descrive compiutamente una serie di risultati sperimentali e prevede con precisione quelli di altre prove. Traducendo le osservazioni in relazioni matematiche tra le varie grandezze misurate si troverebbe : Primo caso X = B T Y = C T –D T 2 Secondo caso X= E T – G T 2 dove B,D,E,G sono delle costanti Si e indotti a pensare che una stessa causa sia alla base di entrambi Primo caso dX/dT = B dY/dT = C – 2 D T d 2 X/dT 2 = 0 d 2 Y/dT 2 = - 2D Secondo caso dX/dT = E -2GT d 2 X/dT 2 = - 2 G Entrambi sono moti ad accelerazione costante: tutti i moti ad accelerazione costante sono descritti da una stessa forma matematica.

12 12 Grandezze Fisiche l'osservazione deve essere quantitativa: tradursi in un enunciato quantitativo (formula matematica) delle osservazioni effettuate leggi fisiche è fondamentale per poter tradurre le leggi della Fisica in espressioni matematiche concetto di grandezza fisica: OSSERVABILI definiamo una serie di operazioni di laboratorio consentono di associare ad un concetto fisico un valore numerico grandezze fisiche della stessa specie si dicono omogenee molte grandezze fisiche sono note in quanto di uso quotidiano: lunghezza tempo volume forza deve essere chiaro come si misurano la definizione di una grandezza fisica è operativa: descrive una serie di operazioni da compiere per effettuare la misura

13 13 Misura si possono distinguere due tipi di misura: 1)misura diretta: confronto diretto con la grandezza campione 2)misura indiretta: si ricava dalla misura di altre grandezze esempio: la velocità media v m (si misura in m/s) è definita come il rapporto tra lo spazio percorso d e il tempo t necessario a percorrerlo V = d/t la misura di d e t è diretta, quella di v m è indiretta la misura è sempre affetta da errori Sistemi di Unità di Misura c'è un numero limitato di grandezze fisiche fondamentali tutte le altre grandezze vengono derivate da queste le grandezze fondamentali sono tra loro indipendenti la scelta della loro unità di misura non influisce sulle altre la scelta della unità di misura può essere arbitraria le grandezze derivate sono quelle la cui definizione operativa è fondata sull'uso delle grandezze fondamentali

14 14 Sistemi di Unità di Misura un sistema di misura è formato da tutte le unità fondamentali e da tutte le unità derivate nel Sistema Internazionale di misura le grandezze fondamentali sono: nella prima parte del corso si utilizzeranno solo lunghezza, massa e tempo e loro derivate

15 15 Angoli nel Sistema Internazionale gli angoli vengono misurati in unità di arco angolo in radianti: il rapporto tra l'arco b e il raggio r di un settore circolare. E un rapporto tra due lunghezze : un numero adimensionale l'unità 1 radiante (rad) è l'angolo al centro per cui il raggio e l'arco siano uguali l'angolo è una grandezza derivata r b angolo giro: circ/r = 2 p rad = 360 gradi angolo piatto:(circ/2)/r = p rad = 180 gradi angolo retto: (circ/4)/r = p /2 rad = 90 gradi 1 radiante sono 57,3 gradi = 180 / p 1 grado sono 0,017 radianti θ

16 16 Grandezze fondamentali della meccanica lunghezza: l'unità di misura è il metro è volte la lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica emessa dall'isotopo 86 del kripton nella sua transizione tra gli stati 2p 10 e 5d 5 quando la lampada è alla temperatura del punto triplo dell'azoto tempo: l'unità di misura è il secondo è la durata di oscillazioni della radiazione emessa dall'isotopo 133 del cesio nello stato fondamentale 2 S ½ nella transizione dal livello iperfine F=4, M=0 al livello iperfine F=3, M=0 Stupefacente ? No: se si vuole misurare un grandezza con una risoluzione di una parte su e necessaria uno strumento con una precisione di Le nanotecnologie lavorano su dimensioni di qualche m Precisione : dispersione dei dati intorno al valore medio Accuratezza : quanto il valor medio e vicino al valore reale Si puo essere accurati ma non precisi, oppure precisi ma non accurati

17 17 Grandezze fondamentali della meccanica massa gravitazionale: la massa indica quanta materia c'è in un corpo, la sua quantità si ha misurando il peso del corpo (massa gravitazionale m g ) l'unità di misura è il kilogrammo la massa di un campione custodito a Parigi presso l'Ufficio Internazionale di Pesi e Misure che consiste in un cilindro di platino-iridio di 39 mm di diametro e 39 mm di altezza con l'ausilio di una bilancia si possono confrontare masse gravitazionali tra loro e con l'unità campione dalla definizione deriva che è proporzionale alla forza esercitata dalla attrazione terrestre sul corpo massa inerziale: più avanti troveremo un'altra proprietà della materia, l'inerzia ogni corpo oppone una resistenza a variare il proprio moto per variare lo stato di quiete o di moto di un corpo occorre applicargli una forza questa proprietà della materia introdotta attraverso l'inerzia si indica con il nome di massa inerziale e la indicheremo con m i

18 18 Equazioni dimensionali per stabilire il legame tra grandezze derivate e quelle fondamentali si utilizzano le equazioni dimensionali sono importanti per: definire le unità di misura derivate verificare la correttezza dimensionale delle equazioni Superficie: Volume: Densità: per una grandezza meccanica G: [G]= [m n l k t h ] ρ

19 19 Operazioni con grandezze fisiche i calcoli tra grandezze fisiche si esprimono come uguaglianze tra i simboli dato un parallelepipedo di altezza h = 4 m, larghezza l = 3 m e profondità b = 5 m il volume sarà: V = l · b · h = 3 m · 5 m · 4 m V = 60 m 3 in questo modo otteniamo anche l'unità di misura del volume le regole dell'algebra valgono per i valori numerici e per le unità di misura la somma e differenza di grandezze fisiche ha senso solo se esse sono tra loro omogenee il prodotto o il rapporto di grandezze si ottiene moltiplicando o dividendo anche le unità di misura per passare da un'unità di misura ad un'altra si può esprimere l'unità di misura iniziale in termini dell'altra: (1 Km) = 1000 volte (1 m) e (1 ora) = 3600 volte (1 sec) v = 30 km/h = 30 x (1 Km) / 1(1 h) = 30 x 1000x(1 m) /(3600 x (1 s)) v = m/s

20 20 Cinematica la cinematica studia il moto di un corpo senza considerarne le cause spostamento: quando un punto materiale si muove la sua posizione varia nel tempo traiettoria: la successione delle posizioni assunte dal corpo al variare del tempo il caso più semplice : unidimensionale la traiettoria è un segmento di retta sistema di riferimento: retta orientata origine O fissata arbitrariamente istante t=0 fissato arbitr. OP(x)x Una proprietà caratteristica di un moto è la velocità il rapporto tra spazio percorso e tempo di percorrenza: v = Dx/Dt la sua unità di misura è: [v]= [l t -1 ]= metri/secondi X = xo +vt [L] =[L] + [L t -1 ][t]=[L]+[L/t][t]=[L]+[L] i

21 21 Moto rettilineo moto rettilineo uniforme: un punto si muove lungo una linea retta e percorre spazi uguali in intervalli di tempo uguali la sua velocità è costante se mettiamo in grafico lo spazio percorso (sull'asse verticale) in funzione del tempo (sull'asse orizzontale) otteniamo: i punti che rappresentano la posizione stanno su di una retta la cui pendenza tan a è la velocità v = Dx /Dt l'equazione completa della retta è x(t) = x(0)+ Vt Se x (t) e una funzione continua di t. OP= x(t) i il valore della velocità istantanea risulta essere la derivata della funzione x (t) che descrive lo spazio percorso in funzione del tempo con il termine velocita si intende sempre velocità istantanea V = dOP/dt = dx(t)/dt i Poiche dx puo essere positivo o negativo V puo avere il verso di i o quello opposto

22 22 Moto lo spostamento non è stato trattato in modo completo avviene in uno spazio tridimensionale abbiamo trattato il caso nello spazio unidimensionale senza esplicitarlo nel caso più generale la traiettoria del corpo può essere descritta da: OP = x I + y J + z K \ P(x,y,z) Z X Y x y z O La derivata di un vettore e ancora un vettore che ha come componenti Le derivate dei componenti V =d OP /dt =dx/dt I + dy/dt J +dz/dt K La velocita e un vettore. Una misura di velocita e una misura indiretta : si misurano spazio e tempo. la posizione OP è un vettore (tre moti indipendenti lungo x, y e z)

23 23 Vettore velocità A B C B A C A+B=B+A=C I vettori si mettono in fila! A-B=A+(-B) -B e B orientato in verso opposto -B = (-1) x B s2 S1 s Chi e dOP ? E che verso ha ? dOP e la variazione di OP nel tempo Infinitamente breve dt. Si consideri un tempo finito ΔT : in esso P sposta da P 1 a P 2 e quindo OP cambia da OP 1 a OP 2, Δ OP = OP 2 – OP 1 come mostrato in figura o P1 P2 ΔOP

24 24 Accelerazione la velocità in genere non rimane costante accelerazione: il rapporto tra una variazione di velocità in un certo intervallo di tempo e l'intervallo di tempo in cui avviene questa variazione: come nel caso della velocità possiamo definire: accelerazione media accelerazione istantanea l'unità di misura della accelerazione è: a = d/dt (dx/dt) = d 2 x/dt 2 Si consideri ancora un moto rettilineo, lungo un asse X

25 25 Accelerazione (caso unidimensionale) Se la velocita mantiene costante la propria direzione V = v U v con Uv=cost. accelerazione tangenziale: è dovuta alla variazione del modulo della velocità ha modulo pari alla derivata del modulo della velocità rispetto al tempo ha direzione parallela alla velocità nel punto perche u v e costante

26 26 accelerazione radiale: il vettore velocità può cambiare anche direzione Accelerazione (caso bidimensionale) Se V cambia la propria direzione cioe Uv non e costante nel tempo a = a t + a r = dV/dt U t – v 2 /r U r V1 V2 ΔVΔV r ΔVtΔVt ΔVrΔVr si dimostra che questa accelerazione ha: direzione parallela al raggio di curvatura locale della traiettoria modulo pari a Se si scrive V = V Uv Si avra a =dV/dt = dV/dt U v + V d U v/dt ΔV = V 2 – V 1 ha due componenti ΔV t e Δ V r ……………… Se la traiettoria e curva a r ha sempre verso opposto al Raggio di curvatura istantaneo (accelerazione centripeta) Notare che [ v 2 /r ] = [L t -2 ]

27 27 Cinematica del punto nota la legge oraria s(t), oppure OP(t) da essa si possono ricavare la velocità e l'accelerazione in ogni istante: non sempre si conosce la legge oraria, a volte si conosce solo l'accelerazione a(t), si possono invertire le equazioni precedenti : questo richiede la conoscenza della velocità e della posizione ad un dato tempo t 0 (condizioni iniziali)

28 28 Moti moto rettilineo uniforme: quando un punto si muove lungo una linea retta e percorre spazi uguali in intervalli di tempo uguali la sua velocità è costante istante per istante il vettore velocità giace sulla stessa retta e punta nella medesima direzione possiamo trascurare il carattere vettoriale della velocità e considerarla come una grandezza scalare (entro certi limiti) a=dV/dt =0 V(t) =cost = V 0 S(t) = V 0 dt= V 0 (t-t 0 ) = V 0 t + cost

29 29 Moto rettilineo uniformemente accelerato a = cost = dV/dt dV = a dt V = a dt = at + K1 t V = ds/dt ds = Vdt s = (at +K1) dt = ½ at 2 + K1 t + K2 t Se S (0 ) = S 0 e V (0) = V 0 si ha K1= V 0 e K2 = S 0 S(t) = S 0 + V 0 t + ½ a t 2 Se S0 e V0 sono entrambi nulli (moto che inizia dallorigine con velocita nulla

30 30 Esercizio Due treni viaggiano con velocità costanti uno verso l'altro su due binari paralleli: ad un certo istante passano davanti a due stazioni distanti tra di loro d = 12 km e si incrociano dopo un tempo t = 6 min. Si calcolino le velocità dei due treni esprimendole in km/h e in m/s, se il primo treno ha velocità doppia rispetto al secondo scriviamo le equazioni che danno la posizione dei due treni nello stesso sistema di riferimento sappiamo che: dopo 6 minuti i treni occupano la stessa posizione la velocità del primo è doppia di quella del secondo quindi abbiamo scelto un sistema di riferimento in cui l'origine coincide con la posizione della stazione di partenza del treno 1

31 31 Esercizio Il moto nel piano x, y di una particella è definito dalle equazioni: con = 0.1 m/s 2 e = 1 m/s. Si calcolino i moduli della velocità e dell'accelerazione all'istante =10 s le componenti della velocità si ottengono derivando le equazioni che danno le componenti della posizione in funzione del tempo: e quindi: per determinare l'accelerazione basta derivare rispetto al tempo le componenti della velocità: al tempo dato e con i parametri del problema si ottiene:

32 32 data la legge oraria X (t) = 3 – 6 t determinare 1)velocità 2)posizione per t=0 s e per t=2 sec 3)quando passa per l'origine è un moto rettilineo uniforme 1)velocità v = dx/dt 1)posizione 1)passaggio per l'origine data una velocità v=0.4 m/s costante e x(0)=-2.5 m 1)scrivere la legge oraria 2)determinare la posizione per t=5 s 3)determinare quanto spazio è stato percorso tra t=0 e t=5 s è un moto rettilineo uniforme, nel verso positivo 1)legge oraria: 1) 2)calcoliamo la posizione per t=0 e t=5 s e poi facciamo la differenza moto lungo il verso negativo

33 33 Esercizio Durante la fase di decollo un aviogetto percorre la pista, lunga 2.25 km, in 45 s. Calcolare l'accelerazione, supposta costante e la velocità posseduta dall'aereo appena si stacca dal suolo (velocità di decollo). siamo in condizioni di moto rettilineo uniformemente accelerato: nel nostro caso: s 0 = 0 m v 0 = 0 m/s possiamo ricavare subito l'accelerazione: –la velocità risulta potevamo ottenere direttamente la velocità

34 34 Esercizio Un aviogetto decolla da un aeroporto per raggiungere un altro aeroporto distante 1100 km. L'aereo, nella fase di involo, accelera uniformemente per 30 km sino a raggiungere la velocità di crociera di 800 km/h e, nella fase di planata e di atterraggio, decelera uniformemente con accelerazione eguale in modulo a quella corrispondente alla fase di involo. Qual'è il tempo occorrente al jet per compiere l'intero percorso supponendo che esso segua la rotta più breve? (t = 1h 27 min) s o = 0 S= ½ at 2 V= at m= ½ at m/sec = at 1 t = 2s/a V= 2s/a x a = 2sa a = v 2 /2s = 0,823 m/sec2 per la fase di volo di crociera il tempo impiegato (moto rettilineo uniforme) risulta essere: t 1 = 60000/o.823 = = 270 sec nel primo tratto moto rettilineo uniformemente accelerato, di questo moto conosciamo le seguenti cose:

35 35 moto circolare uniforme moto circolare uniforme: il moto di un punto che percorre una circonferenza con velocità costante (in modulo) la velocità non può essere costante in direzione viste le caratteristiche del moto poiché la direzione della velocità varia c'è una accelerazione (accelerazione centripeta) a= (V2 – V1)/ Dt= = (V2 + (-V1))/Dt V2 V1 -V1 a r1 r2 quando Dt tende a 0, r 2 tende a r 1 Secondo il disegno quando r2 tende a r1 V2 – V1 tende a zero, ma anche Dt tende a 0 E il rapporto tende ad un numero finito. E la definizione di derivata……..rapporto tra due infinitesimi. V2 - V1 V2 +(- V1)

36 36 Periodo si definiscono: periodico qualunque fenomeno che a intervalli regolari di tempo si riproduca secondo una stessa legge che lo caratterizza periodo (T) l'intervallo di tempo necessario affinché il fenomeno periodico considerato riprenda gli stessi caratteri frequenza () il numero di volte che questo avviene nell'unità di tempo la sua unità di misura è l'Hertz (Hz) Frequenza = 1 / T Moto circolare uniforme lo spazio percorso durante un periodo T è pari ad una circonferenza (=2r) il modulo della velocità è: che può anche essere scritto come:

37 37 Moto circolare uniforme raggio vettore il segmento che in un generico istante congiunge il centro della circonferenza con P velocità angolare il rapporto tra un angolo (in radianti) descritto dal raggio vettore e il tempo impiegato a descriverlo la velocità angolare si misura in radianti/secondo (rad/s) nel caso di velocità angolare costante, in un periodo quindi avremo confrontando: con: otteniamo: dove (ovviamente) anche le dimensioni tornano nel moto circolare uniforme il modulo della velocità (periferica) è proporzionale al raggio della traiettoria descritta

38 38 E una relazione scalare In realta ω rappresenta la rotazione che porta il vettore r su r = r + dr nel tempo dt. Larea descritta da r e dA = r X r = r x r + r x dr = 0 + r dr K = r r d θ K = r 2 d θ K dA/dt = r 2 d θ/dt K = r 2 ω K ω e un vettore parallelo a K ed e Una misura della velocita areale Vettorialmente V = ω x r a = dV /dt = d ω/ dt x r + ω x dr/dt ma d ω/ dt = 0 e dr/dt e,per definizione V Quindi a = dV/dt = ω x V = ω x (ω x r) ω x V ha verso opposto a r : e cioe diretto verso il centro. I vettori sono tutti perpendicolari: ω x (ω x r) ha lunghezza ω 2 r ( oppure V 2 /r) Conclusione laccelerazione e un vettore diretto In verso opposto al raggio di curvatura e di modulo ω 2 r = V 2 /r. ω r V r r K dr dθdθ

39 39 Moto circolare anche il moto circolare può essere non uniforme analogamente al moto vario, varrà la relazione: analogamente al caso di velocità varia si avrà una accelerazione angolare che si misura in rad/s 2 l'accelerazione angolare è legata alla accelerazione tangente: a T = dV/dt = d ω/dt x r + ω dr/dt e dr/dt e nullo

40 40 Moto circolare uniformemente accelerato moto circolare uniformemente accelerato: è un moto in cui è costante l'accelerazione angolare per esso valgono tutte le considerazioni fatte nel caso di moto rettilineo uniformemente accelerato (con le ovvie sostituzioni): s v a

41 41 Moto relativo Come si cambia sistema di riferimento? le osservazioni dello stesso fenomeno fatte da osservatori diversi con riferimenti diversi devono essere confrontabili ? A quali condizioni? la posizione di un punto P in un sistema (A) di riferimento può essere data dal vettore r che va dall'origine del sistema al punto stesso in un altro sistema di riferimento (B) sarà data da un altro vettore r´ la posizione dell'origine del secondo sistema di riferimento rispetto al primo è data da r O per l'algebra vettoriale abbiamo quindi: r= r 0 + r r z' x' y' B r' r0r0 x y z P A vO: è la velocità del sistema di riferimento B rispetto al sistema di riferimento A v´ : è la velocità del punto P rispetto al sistema di riferimento B la velocità del punto P rispetto al sistema di riferimento A e V : e la velocita assoluta vO: è la velocità di B rispetto al sistema A (velocita di trascinamento) v´ : è la velocità del punto P rispetto al sistema di riferimento B (velocita relativa)

42 42 Per laccelerazione si avra Se i due sist. di rif. si muovono di moto relativo rettilineo e uniforme a 0 = 0 e a = a Laccelerazione (cioe la fisica) e la stessa in sistemi di rif. in mot rett. Uniforme Principio di relativita Galileiano Cosa succede se B ruota ? Sia B fermo ma ruoti intorno a B con vel. Angolare ω. Sia P fermo rispetto a B V = 0 A osserva la velocita V = ω r. Se B in piu si muove rigidamente con velocita Vo sara V = Vo + ω r Se P si muove rispetto a B con velocita V Sara V = Vo + V + ω r P P r A B Wr

43 43 se il sistema di riferimento B ruota con velocità ω rispetto al sistema A l'equazione diventa: si ha perché la derivata di r´ rispetto al tempo ha due contributi: dalla variazione del modulo r´ dalla variazione relativa di direzione e si può dimostrare che: nel caso più generale, in cui il sistema B ruota, si può dimostrare che l'equazione che lega le accelerazioni è la seguente:

44 44 Dinamica la dinamica studia il movimento dei corpi in relazione alle cause che lo producono dobbiamo conoscere i seguenti elementi: 1)le cause del moto (forze) con le leggi che le determinano in funzione di: posizione velocità altri parametri 2)i parametri del corpo che intervengono in modo essenziale nel moto 3)le equazioni del moto le relazioni che permettono di determinare il moto del corpo

45 45 Dinamica del punto per punto materiale si intende un corpo di dimensioni piccole rispetto alle altre lunghezze in gioco e del quale non interessa studiare la struttura un corpo può essere approssimato o meno a un punto materiale a seconda del problema prima di Galileo e di Newton si pensava che: lo stato naturale di un corpo (cioè un corpo non soggetto ad interazioni con altri corpi) fosse quello di quiete un corpo in moto con velocità costante richiedesse opportune interazioni con altri corpi. Questa idea sembra suggerita dall'esperienza quotidiana una cassa che si muove con velocità costante su di un piano richiede una forza fornendo una spinta alla cassa sul piano la cassa si mette in moto ma tende a fermarsi

46 46 I º principio della dinamica questo punto di vista fu universalmente accettato finché, prima Galileo, poi Newton, eseguendo esperimenti con piani levigati confutarono questa teoria rendendo le superfici più lisce occorre meno forza per spingere la cassa, la cassa si ferma dopo aver percorso un tratto maggiore da questo, estrapolando, deriva il seguente postulato ( I o principio della dinamica): un corpo persevera nel proprio stato di quiete o di moto rettilineo uniforme finché non agisce su di esso una qualche causa esterna

47 47 I º principio della dinamica un corpo non soggetto ad interazioni con altri sistemi materiali o sta fermo o si muove di moto rettilineo uniforme la proprietà che ha un corpo di opporsi a variazioni della propria velocità fu chiamata da Newton inerzia il postulato precedente è noto anche come principio d'inerzia o anche primo principio di Newton il primo principio della dinamica si riferisce ad una situazione limite, una idealizzazione che non può venire realizzata in un esperimento il principio d'inerzia non può avere significato se non si specifica il sistema di riferimento usato consideriamo due sistemi di riferimento in moto traslatorio rettilineo uniforme uno rispetto all'altro: un corpo che si muove con velocità costante rispetto al primo sistema si muove con velocità costante anche rispetto al secondo i sistemi di riferimento inerziali sono sistemi di riferimento in moto traslatorio relativo rettilineo uniforme un sistema solidale con la terra è solo approssimativamente inerziale

48 48 Sistemi Inerziali quando passiamo da un sistema di riferimento inerziale ad un altro: mentre per le accelerazioni: dove, per definizione, a 0 = 0 la variazione nello stato del corpo che osservo nei due sistemi è la stessa la causa di questa variazione deve essere la stessa il principio d'inerzia può venire formulato nel modo seguente: in un sistema di riferimento inerziale un corpo persevera nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme finché non agisce su di esso una qualche causa esterna un altro enunciato è quello di Galileo: tutte le leggi della meccanica quali quelle relative alla caduta dei gravi, delle oscillazioni etc., sono le medesime per osservatori in moto traslatorio rettilineo uniforme l'uno rispetto all'altro

49 49 I º principio della dinamica passando da un sistema di riferimento inerziale ad un altro: variano le coordinate dei corpi variano le loro velocità Una forza e cio che provoca una variazione dello stato di moto di un corpo FORZA Lo stato di un corpo materiale allistante t sia definito da posizione e velocita. Il suo stato di moto dalla sua velocita.

50 50 Forza e accelerazione : seconda legge della dinamica una accelerazione è una manifestazione di una forza: dobbiamo stabilire una relazione quantitativa tra le due possiamo applicare ad un corpo delle forze note F 1, F 2, F 3,... e misurare l'accelerazione prodotta su di un corpo direzione e verso di forza e accelerazione sono uguali le accelerazioni sono in genere tra loro diverse in modulo il rapporto tra forza applicata e accelerazione misurata è costante questa costante cambia se cambiamo il corpo su cui effettuiamo le misure l'azione dinamica di una forza su di un corpo è di fornire una accelerazione tale che F= k a la costante k è uno scalare definisce una caratteristica del corpo venne chiamata da Newton massa inerziale F= ma questa legge viene indicata come seconda legge della dinamica (o seconda legge di Newton) mg e mi vengono fatte coincidere

51 51 Forze Principio dell'indipendenza delle azioni simultanee: si ricava dall'osservazione se più forze agiscono su di un corpo, ciascuna produce l'accelerazione cui darebbe luogo agendo da sola se abbiamo 2 corpi che esercitano una forza su di un terzo corpo, l'accelerazione di questo corpo (a 1 ) risulta essere la somma delle singole accelerazioni prodotte dagli altri due corpi sul corpo in esame (a 12 e a 13 rispettivamente): se moltiplichiamo per la massa m 1 : quindi avremo: la forza risultante agente su un corpo è la somma vettoriale delle singole forze esercitate sul corpo dai diversi sistemi materiali che interagiscono con esso questo viene anche indicato come principio di sovrapposizione

52 52 Inerzia dalla seconda equazione della dinamica risulta un pò più chiaro il concetto di inerzia: la massa è una proprietà dei corpi F = ma implica che: maggiore è la massa m minore è la perturbazione a che la forza F apporta al corpo la massa è una misura della resistenza che un corpo oppone a un tentativo di modifica del suo stato (inerzia) sperimentalmente si verifica che: se due corpi A e B di masse m A e m B vengono uniti insieme a formare un corpo C, la massa m C di questo corpo è pari alla somma delle masse di A e B: la massa è una grandezza fisica additiva: m C = m A + m B nella fisica classica la materia è una quantità che si mantiene costante e si conserva questo non è più vero nella meccanica relativistica e nella meccanica quantistica relativistica

53 53 Seconda legge della dinamica la validità della seconda legge della dinamica è data da: prove sperimentali prove indirette (tutte le deduzioni che derivano da questa legge sono verificate) la seconda legge è valida anche nel caso in cui la forza non sia costante nel tempo l'equazione F = ma lega la risultante delle forze agenti alla accelerazione del corpo massa e forza sono legati tra loro attraverso l'accelerazione Unità di misura della forza l'unità di misura della forza viene espressa in funzione della massa: l'unità di misura della forza nel sistema internazionale è stata chiamata newton (N), quindi:

54 54 Sistemi non inerziali se passiamo da un sistema di riferimento (inerziale) ad uno in moto accelerato vario (non inerziale) sappiamo che l'accelerazione osservata sul secondo sistema è quindi misuriamo una forza dove i termini hanno le dimensioni di una forza questi termini si indicano con il nome di forze apparenti in quanto all'osservatore non inerziale appaiono come forze ma non sono riconducibili a nessuna origine fisica compaiono solo grazie al moto del sistema di riferimento

55 55 l'accelerazione posseduta da un corpo in caduta libera si chiama accelerazione di gravità e viene indicata con il simbolo g l'accelerazione di gravità vale circa 9.81 m/s 2 per il secondo principio di Newton su un corpo di massa m agisce una forza pari a Forza peso detta forza peso o peso del corpo

56 56 Forza peso la variazione di g rispetto alla latitudine è dovuto alla rotazione della terra e al fatto che la misura si riferisce ad un sistema solidale con la terra e quindi non inerziale la variazione con l'altezza è dovuta alla variazione della distanza del corpo dal centro della terra

57 57 Misura della massa si può utilizzare la seconda legge della dinamica per stabilire la scala di misura della massa supponiamo di avere una forza F che applichiamo alla nostra massa campione m 0 e al corpo di massa m questa relazione vale anche per gli scalari e quindi questa è una misura dinamica l'esperienza dimostra che il valore di m non dipende dal tipo di forza utilizzata

58 58 Misura della massa la misura dinamica della massa è fattibile, ma è imprecisa consideriamo la forza peso P: sappiamo che vale la relazione scalare poiché l'accelerazione dei corpi è la stessa (g) possiamo allora derivare un apparecchio in grado di confrontare le forze peso confronta anche le masse dei corpi lo strumento che si utilizza per questo scopo è la bilancia

59 59 Misura l'operazione di misura non è altro che il confronto dell'oggetto da misurare con una grandezza campione assunta come unitaria dobbiamo sapere a quale unità di misura si riferisce il valore che stiamo trattando una grandezza è specificata da: un numero (risultato dell'operazione di misura) una unità di misura (indica il tipo di grandezza fisica) tempo t = 2.3 s spazio l = 12.8 m il campione deve essere: invariabile facilmente riproducibile preciso riconosciuto universalmente

60 60 Sistemi di Misura altri sistemi di misura che utilizzano unità diverse CGS MKS

61 61 Sistema di Misura c'è una notazione per indicare i multipli e sottomultipli di una unità di misura

62 62 Ordini di grandezza


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