Il teorema dell’impulso

Presentazione sul tema: "Il teorema dell’impulso"— Transcript della presentazione:

1 Il teorema dell’impulso
Consideriamo un punto materiale in moto rettilinio sotto l’azione di una forza F costante xo F x x O xo punto di partenza x punto di arrivo Tempo impiegato spostamento L’accelerazione (costante) Le equazioni del moto G.M. - Edile A 2002/03

2 Generalizzazione del teorema dell’impulso
Dalla seconda legge della dinamica Dove F è la risultante delle forze agenti sulla particella Per ogni intervallo infinitesimo dt Sommando su tutti gli intervalli infinitesimi (integrando tra zero r t) Se la forza F è costante (modulo, direzione e verso) La forza F media in Dt G.M. - Edile A 2002/03

3 Lavoro ed energia cinetica: introduzione
Consideriamo un punto materiale che si muove di moto rettilineo sotto l’azione di una forza costante parallela alla traiettoria (per esempio moto di caduta di un grave) F x O Moto uniformemente accelerato Eliminando il tempo: G.M. - Edile A 2002/03

4 Lavoro ed energia cinetica: introduzione
Si definisce Energia cinetica della particella Lavoro effettuato dalla forza costante sul percorso tra xo e x Le dimensioni Nel SI: Nm=kgm2s-2=J (joule) Nel SI: kgm2s-2=J (joule) G.M. - Edile A 2002/03

5 Generalizzazione della definizione di lavoro
Nello studio del moto rettilineo uniformemente accelerato abbiamo ottenuto: La variazione dell’energia cinetica dubita dal punto materiale quando si sposta tra xo e x risulta uguale al lavoro compiuto dalla forza lungo il percorso tra xo e x Teorema delle forze vive. Vediamo se è possibile generalizzare questo risultato al caso generale. Se la traiettoria non è rettilinea o se la forza non è parallela allo spostamento, solo la componente tangenziale della forza è responsabile della variazione del modulo della velocità: Occorre fare in modo, nella definizione di lavoro di una forza, che esso dipenda solo dalla componente tangenziale della forza. G.M. - Edile A 2002/03

6 Il prodotto scalare tra vettori
Dati vettori F e Dr, si definisce prodotto scalare Il risultato di un prodotto scalare è uno scalare q Commutativo Modulo del primo vettore per modulo del secondo vettore per il coseno dell’angolo compreso Che può anche essere interpretato come Il modulo del primo vettore per la proiezione del secondo vettore lungo il primo q Il modulo del secondo vettore per la proiezione del primo sul secondo q G.M. - Edile A 2002/03

7 Alcune proprietà del prodotto scalare
Vettori paralleli Positivo FDr Vettori antiparalleli Negativo - FDr Vettori ortogonali Uguale a zero Il prodotto scalare di un vettore per sé stesso G.M. - Edile A 2002/03

8 Generalizzazione della definizione di lavoro
Lavoro fatto da una forza costante su un percorso rettilineo q Il lavoro è una grandezza scalare Se la forza non è costante e/o il percorso non è rettilineo, possiamo sempre dividere il percorso in tratti così piccoli (infinitesimi) da poter considerare il tratto rettilineo e la forza costante su quel tratto, Calcolare il lavoro su ciascuno dei tratti Sommare tutti i lavori calcolati sui singoli tratti i f g G.M. - Edile A 2002/03

9 Generalizzazione della definizione di lavoro
Calcolo del lavoro utilizzando le componenti cartesiane Calcolo del lavoro utilizzando i moduli della forza e dello spostamento I lavoro della risultante i f g q G.M. - Edile A 2002/03

10 Calcolare il lavoro fatto dalla risultante delle forze
Una donna tira, a velocità costante, una slitta carica di massa m= 75 kg su una superficie orizzontale. Il coefficiente di attrito dinamico tra i pattini e la neve è md=0.10, e l’angolo f è di 42°. Calcolare il lavoro effettuato dalla donna per spostare la slitta di 10 m. Calcolare il lavoro fatto dalla risultante delle forze Applicazione La forza applicata dalla donna è uguale alla tensione T (possiamo calcolare il lavoro della tensione T). Il lavoro effettuato dalla donna sarà: f Dr T Forza costante Spostamento rettilineo Bisogna calcolare il modulo di T. G.M. - Edile A 2002/03

11 Il lavoro effettuato dalla donna (dalla tensione):
Applicazione costante Il lavoro effettuato dalla donna (dalla tensione): G.M. - Edile A 2002/03

12 Potenza Data un forza esegue un lavoro W in un intervallo di tempo Dt
si definisce potenza media nell’intervallo Dt il rapporto : La Potenza sviluppata dalla forza all’istante t (potenza istantanea), si ottiene facendo il limite per Dt che tende a zero: Le dimensioni [P] = [ML2T-2][T-1] = [ML2T-3] Nel SI si misura in watt (W) Altre unità cavallo vapore (Cv) Kilovattora come unità di misura del lavoro 1kwattora=3.6MJ G.M. - Edile A 2002/03

13 Generalizzazione del teorema delle forze vive
Consideriamo il generico intervallo di tempo dt La variazione dell’energia cinetica i f g q La relazione vale per tutti gli intervalli infinitesimi: quindi anche quando si somma su tutti gli intervalli. La variazione di energia cinetica è uguale al lavoro della risultante (la somma dei lavori fatto da tutte le forze agenti sul punto materiale) G.M. - Edile A 2002/03

14 Determinare il lavoro fatto dalla forza peso durante il sollevamento
Applicazione Un sollevatore di pesi solleva un manubrio di massa complessiva m=260kg per un dislivello di 2 m Determinare il lavoro fatto dalla forza peso durante il sollevamento Determinare il lavoro fatto dal sollevatore di peso. Se il sollevatore abbandona l’attrezzo mentre è in alto (h=2m) determinare la velocità con cui arriva sul pavimento. Fs P Osserviamo che l’energia cinetica iniziale è nulla, ma anche quella finale. La variazione di energia cinetica è nulla. Utilizzando il teorema delle forze vive: Per quanto riguarda l’ultima domanda: osserviamo che il moto avviene sotto l’azione della sola forza peso. Il lavoro fatto dalla forza peso in questo caso: G.M. - Edile A 2002/03

15 L’energia È una grandezza che caratterizza il punto materiale
Dipende dal suo stato (posizione, velocità, temperatura, etc) Esistono varia forme di energia Per es. l’energia cinetica dipende dallo stato di moto del corpo I corpi possono scambiarsi l’energia: Il lavoro rappresenta un modo attraverso cui i corpi si scambiano energia. Se la risultante delle forze esterne compie un lavoro positivo (forza motrice, concorde con il moto), allora l’energia cinetica del punto materiale aumenta. Si dice che l’ambiente esterno ha compiuto un lavoro sul punto materiale il punto materiale ha acquisito energia cinetica dall’ambiente esterno. Se la risultante delle forze esterne compie un lavoro negativo (forza resistente, opposta al moto), allora la sua energia cinetica diminuisce. si dice che il punto materiale ha effettuato del lavoro sull’ambiente esterno a spese della sua energia cinetica L’energia cinetica rappresenta la capacità di un corpo a compiere del lavoro Trasferire cioè il movimento ad altri corpi. La corrente del fiume che fa muovere le macine di un mulino G.M. - Edile A 2002/03

16 L’energia cinetica e i sistemi di riferimento
Il valore dell’energia cinetica, come quella di altre grandezze dipende dal sistema di riferimento usato. Anche le distanze percorse dipendono dal sistema di riferimento usato Ma anche se i valori numerici cambiano, la eguaglianza tra il lavoro fatto dalla risultante e la variazione dell’energia cinetica risulta valida in tutti i sistemi di riferimento inerziali. G.M. - Edile A 2002/03

17 Un oggetto di massa m=10 kg viene portato in un treno dalla velocità nulla alla velocità di 2 m/s percorrendo (sul treno) un tratto di 5 m. Il treno si muove con una velocità di 20 m/s rispetto al marciapiede della stazione. Verificare il teorema delle forze vive rispetto al treno e rispetto al marciapiede. Applicazione G.M. - Edile A 2002/03

18 Le forze conservative g P2 P1 U= energia potenziale
Una forza si dice conservativa se il lavoro eseguito dalla forza sul punto materiale P mentre si sposta dalla posizione P1 alla posizione P2 dipende soltanto dalla posizione iniziale e dalla posizione finale e non dal percorso effettuato, dalla traiettoria seguita per andare da P1 a P2, ne da alcun altro parametro come la velocità, il tempo impiegato, ecc. P1 g q P2 Allora esiste una funzione U della posizione del punto materiale P, U(P) = U(x,y,z), tale che il lavoro fatto dalla forza conservativa quando il punto materiale si sposta tra due punti qualsiasi, P1 e P2, è dato dalla differenza tra i valori che la funzione U assume nel punto iniziale P1 meno quello che assume nel punto finale P2. U= energia potenziale G.M. - Edile A 2002/03

19 La forza peso Verifichiamo che la forza peso è conservativa:
Dobbiamo far vedere che per qualunque percorso il lavoro fatto dalla forza per andare da P1 a P2 è sempre lo stesso indipendente dal percorso. Prendiamo il percorso P1A P2. Prendiamo ora il percorso P1B P2. G.M. - Edile A 2002/03

20 La forza peso L’energia potenziale potrebbe essere
Prendiamo un qualsiasi percorso tra P1 e P2. L’energia potenziale potrebbe essere G.M. - Edile A 2002/03

21 La forza elastica x1 x2 Valutiamo il lavoro fatto dalla forza elastica per spostare il corpo dalla posizione x1 a x2. Lo spostamento è rettilineo ma la forza non è costante Utilizziamo la definizione più generale Il lavoro dipende solo dai punti iniziali e finali: la forza elastica è conservativa! La sua energia potenziale: G.M. - Edile A 2002/03

22 L’energia potenziale E’ un’altra forma di energia, legata la posizione di un corpo È possibile cambiare l’energia potenziale di un corpo eseguendo del lavoro (per esempio sollevare un peso U=mgy) le forze conservative Forza peso Forza elastica Forza di gravitazione universale Forza di Coulomb La funzione energia potenziale è determinata a meno di una costante arbitraria h = quota G.M. - Edile A 2002/03

23 Determinazione dell’energia potenziale dall’espressione della forza
Utilizzando la definizione di energia potenziale: Po P Che può essere riscritta, considerando i punti Po, iniziale, e P, il generico punto dello spazio: Da cui: Non è necessario specificare la traiettoria Per derivare la funzione energia potenziale occorre: Fissare arbitrariamente un punto dello spazio Po. Assegnare un valore arbitrario all’energia potenziale del punto Po. Calcolare il lavoro effettuato dalla forza da Po al generico punto P lungo una qualsiasi traiettoria che connetta Po con P. G.M. - Edile A 2002/03

24 L’energia potenziale le forze conservative h = quota Forza peso
Il punto di riferimento Po è un punto del piano xz, con y=0 (quota nulla) Ai punti del piano orizzontale y=0 si assegna energia potenziale nulla Forza elastica Il punto di riferimento Po è la posizione dell’estremo libero della molla in condizioni di molla non deformata, x=0. Quando la molla non è deformata, x=0, si assegna energia potenziale nulla Forza di gravitazione universale Forza di Coulomb Il punto di riferimento Po è il punto all’infinto. Al punto all’infinito, si assegna energia potenziale nulla h = quota G.M. - Edile A 2002/03

25 Il lavoro effettuato da una forza conservativa su un percorso chiuso è nullo
Consideriamo un percorso chiuso P1 g1 p-q P2 g2 Le forze conservative dipendono dalla posizione. P1 g1 q P2 G.M. - Edile A 2002/03

26 Lavoro della forza di attrito
La forza di attrito statico fa lavoro nullo: Nel caso di attrito statico, non c’è spostamento: quindi il lavoro è nullo Se il piano di appoggio si sposta rispetto al SdR utilizzato, si osservi che: il piano e l’oggetto poggiato su di esso subiscono lo stesso spostamento Le forze di attrito sono uguali ed opposte (azione e reazione) Il lavoro complessivo è nullo a La forza di attrito dinamico fa, sempre, un lavoro negativo: Consideriamo un oggetto che viene spostato su di un piano orizzontale scabro. G.M. - Edile A 2002/03

27 Lavoro della forza di attrito dinamico
Consideriamo un punto materiale che si muove su un piano orizzontale sulla traiettoria g tra P1 e P2. Il modulo della forza di attrito dinamico è P1 g q=p P2 costante Il lavoro effettuato dalla forza di attrito dinamico il lavoro della forza di attrito dinamico non dipende solo dal punto iniziale e da quello finale, ma anche dalla lunghezza della traiettoria scelta Su un percorso chiuso il lavoro è diverso da zero La forza di attrito dinamico non è conservativa G.M. - Edile A 2002/03

28 L’energia potenziale in presenza di più forze conservative
Il lavoro effettuato da tutte le forze conservative è dato da: L’energia potenziale totale è la somma delle energia potenziali delle singole forze G.M. - Edile A 2002/03

29 La conservazione dell’energia
Supponiamo di avere un punto materiale che si muove sotto l’azione di forze conservative. Il teorema delle forze vive ci dice che il lavoro della risultante è uguale alla variazione dell’energia cinetica: Poiché tutte le forze sono conservative, il lavoro della risultante può essere messo in relazione con la variazione di energia potenziale Combinando le due relazioni si ottiene: Solo forze conservative: l’energia meccanica totale si conserva! G.M. - Edile A 2002/03

30 Relazione lavoro energia
Se non tutte le forze sono conservative Il lavoro della risultante sarà la somma del lavoro effettuato Dalle forze conservative Wc Dalle forze non conservative Wnc La variazione dell’energia meccanica totale è uguale al lavoro effettuato dalle forze non conservative. Questa relazione contiene come caso particolare anche la conservazione dell’energia infatti quando non ci sono forze non conservative Wnc=0 G.M. - Edile A 2002/03

31 L’energia meccanica totale
In presenza di forze non conservative l’energia meccanica totale non si conserva La sua variazione è proprio uguale al lavoro delle forze non conservative In realtà non bisogna pensare che dell’energia sia andata distrutta o si sia creata dal nulla, semplicemente c’è stato uno scambio con altre forme di energia. Nel caso di forze dissipative, attrito dinamico, resistenza passiva, il lavoro (negativo) di queste forze è accompagnato da un aumento della temperatura dei corpi interessati L’energia meccanica totale diminuisce mentre aumenta l’energia interna dei corpi (aumento di temperatura) Nel caso in cui si ha un aumento dell’energia meccanica totale (per esempio nelle esplosioni), l’energia interna contenuta nell’esplosivo è stata trasformata in energia meccanica L’esplosivo ha subito una trasformazione chimica. G.M. - Edile A 2002/03

32 Il diagramma del corpo libero
Un corpo di massa m=1kg è appeso mediante una fune ideale di lunghezza L=3 m al soffitto del Laboratorio. Determinare il periodo del pendolo nell’ipotesi che esso venga abbandonato da fermo quando l’angolo formato dalla fune con la verticale è di 5°. Si supponga che l’ampiezza delle oscillazioni possa essere considerata piccola. Determinare inoltre il valore della tensione nella fune quando passa per la posizione verticale. Applicazione Poniamoci nel sistema di riferimento del Laboratorio (inerziale) per poter applicare le leggi di Newton. La posizione del pendolo può essere individuata specificando q Determiniamo le forze agenti sull’automobile La forza peso La Tensione della fune Il diagramma del corpo libero la seconda legge di Newton vale: v Preliminarmente ricordiamo che in un moto circolare antiorario: q G.M. - Edile A 2002/03

33 Applicazione N.B.Per evitare complicazioni limitiamoci a considerare la parte di moto antiorario del pendolo. Troviamo le tre equazioni scalari corrispondenti all’equazione vettoriale. Utilizziamo le direzioni ut ed un mostrate in figura, ed uz perpendicolare ai primi due. un Forza di richiamo, opposta a q ut Poiché az=0 è la velocità iniziale è nulla, possiamo concludere che il moto del pendolo avviene nel piano della figura. Riscrivendo l’accelerazione tangenziale in termini di accelerazione angolare si ottiene: se q è piccolo senq = q L’accelerazione è proporzionale all’opposto della posizione: il moto è armonico! G.M. - Edile A 2002/03

34 La legge oraria è del tipo:
Applicazione Equazione differenziale del moto armonico con pulsazione angolare wp data da: La legge oraria è del tipo: un ut In cui le costanti A e j vanno determinati sulla base delle condizioni inizali. Miraccomando a non confondere la velocità angolare con cui si muove il pendolo con la pulsazione angolare. Pur avendo le stesse unità di misura sono completamente diverse: La pulsazione angolare è una costante La velocità angolare varia sinusoidalmente. Il pendolo si ferma, w=0, agli estremi dell’oscillazione ed è massima per q=0. G.M. - Edile A 2002/03

35 Determiniamo le costanti A e j: Ricordiamo le condizioni iniziali:
Applicazione Determiniamo le costanti A e j: Ricordiamo le condizioni iniziali: Quindi: La scelta j=0, da una soluzione positiva dell’ampiezza: La legge oraria diventa dunque: un ut Abbiamo già verificato che la legge oraria del moto armonico è periodica con periodo T= G.M. - Edile A 2002/03

36 Per il calcolo della Tensione riprendiamo l’equazione secondo un:
Applicazione Per il calcolo della Tensione riprendiamo l’equazione secondo un: Dove an è uguale a: Per q = 0 la velocità angolare è massima: pari alla sua ampiezza. Pertanto Confrontiamo questa tensione con quella che si ottiene quando il pendolo è fermo in condizioni di equilibrio: un In condizioni di equilibrio T=mg ed è verticale: il filo si dispone lungo la verticale (filo a piombo). Per q=0 la tensione nel caso dinamico è più grande che in quello statico perché essa oltre ad equilibrare il peso deve fornire la forza centripeta necessaria per far percorrere al pendolo una traiettoria circolare!! ut G.M. - Edile A 2002/03