Ottavio Serra MOTI PIANI Cosenza 2009-2010 1 La velocità è tangente alla traiettoria (P’ →P, s→t, (P’–P)/(t’-t)→v 2 L’accelerazione punta verso l’interno a(media)= (v’ –v)/(t’–t) = Δv/Δt 3 Decomponendo a secondo la tangente e la normale, si vede che aτ modifica il modulo di v, an la direzione. 4 Se il modulo di v è costante, a è normale alla tangente, quindi a v; se poi il raggio di curvatura è costante, il moto è circolare. 5 T=2πr/v, f=1/T, v= ωr. ω=2π/T=2πf, α= ωt, x=rcos(ωt), y=rsen(ωt); Vx= –ωr.sen(ωt), Vy = ωr.cos(ωt). L’accelerazione è radiale e punta al centro del cerchio: accelerazione centripeta. Vedere fig.4 e la prossima fig.5 6 v PP ' r v v v v r s r v v r r r r r 7 Segue che a=v.ω e perciò anche a r v /r 2 2 COMPONENTI: ax r.cos(t ) 2 a r . 2 a y r.sen(t ) 2 8 Moto armonico. E’ la proiezione su una retta (un diametro) di un moto circolare uniforme. Detta x la retta, le equazioni sono: x r.cos(t ) v r.sen(t ) a 2 r.cos(t ) 2 x 9 Forza elastica: F = -kx. a= -(k/m)x a x 2 Perciò il moto è armonico con pulsazione k m e periodo m T 2 k 10 Moto pendolare 11 a gsen (verss ) gsen( s / l )(verss ) Se α è piccolo, senα =α (circa) e a ( g / l ) s 12 Il moto è approssimativamente armonico, con periodo l T 2 g 13 Tensione del filo. Nel caso statico (mettere un chiodo in P), il modulo di T è T=mgcosα (vedi fig.6). Durante il moto il filo deve esercitare anche la forza centripeta e T mg cos mv / l 2 Per determinare v applico la conservazione dell’energia (vedi la seguente fig.7) 14 15 mgh mgy mv / 2 2 h l (1 cos 0 ), y l (1 cos ) v 2 gl (cos cos 0 ) 2 T mg cos 2mg (cos cos 0 ) mg (3cos 2 cos 0 ) 16 Si noti che il calcolo di v e di T (tensione) non è limitato alle piccole ocillazioni. Per es. se 0 90 La tensione del filo nel punto più basso O è il triplo del peso e se 180 ,T=5mg. 0 17 Esercizi. 1) Al soffitto di un veicolo è sospeso un pendolo di massa m=200 grammi. In fase di accelerazione il filo di sospensione forma un angolo di 20° con la verticale. Calcolare l’accelerazione del veicolo e la tensione del filo (g = 9,8 m/s2). 18 2) Una pallina di 300 grammi è appesa a una molla tenuta verticale che, allungata di tre centimetri, oscilla compiendo due oscillazioni al secondo. Calcolare la costante elastica della molla e la velocità massima della pallina. 19 5. Moti centrali. Un moto si dice centrale se la forza agente su una particella è diretta verso un punto fisso, eventualmente all’infinito. F = α(r).r . Il momento della forza è r F r (r )r 0 Il momento angolare è L r mv La cui derivata temporale è L r ' mv r mv ' r ' mr ' r mv ' r mv ' r ma 0 20 Dunque L è costante e il raggio vettore r=OP, essendo ortogonale ad L, descrive un’orbita piana. Velocità areale. L’elemento d’area ( fig. 8) è 1 1 1L dA r dr r vdt dt 2 2 2m 21 Perciò la velocità areale è costante (per tutti i moti centrali, non solo per quelli newtoniani): dA L A dt 2m 22 Energia. Il lavoro compiuto dalla forza F quando sposta il suo punto di applicazione da P0 a P1 è W= F (r ).ds (r )r.ds cos( ) ( P0 , P1 ) ( P0 , P1 ) ( P0 , P1 ) (r )rdr (r1 ) (r0 ) indipendente dalla traiettoria. (i campi di forza centrale sono conservativi). Posto U(r)=-β(r), W=U(r0)-U(r1). U si chiama energia potenziale. 23 N.B. Ho chiamato ds il vettore che nella fig. 8 chiamavo dr, in modo che nell’ultimo integrale ho potuto porre dr=ds.cos(θ). Siccome la variazione di energia cinetica è K K F (r ).ds 1 0 ( P0 , P1 ) v1 1 2 1 2 ma.vdt mvdv mvdv mv1 mv0 2 2 ( P0 , P1 ) ( P0 , P1 ) v0 24 Segue: K1-K0=W=U0-U1 : in un campo centrale la somma dell’energia cinetica e dell’energia potenziale si mantiene costante nek tempo: K+U=E. Osservazione. La forza d’attrito, essendo parallela (e discorde) con lo spostamento, non è conservativa. Si noti che non è una forza centrale; ma una forza può essere conservativa senza essere centrale. 25 6. Campo newtoniano. E’ un Mm r campo centrale: F G r 2 r Perciò vale la seconda legge di Keplero. L’energia potenziale è GMm GMm U F (r ).dr 2 dr r r E vale la conservazione dell’energia: 26 1 2 Mm E mv G 2 r Più difficile è dimostrare la prima legge di Keplero: le orbite sono ellissi. La terza legge si dimostra in modo elementare nel caso di orbite circolari, uguagliando la forza di Newton alla forza centripeta: 27 2 GMm mv GM 2 v 2 r r r e detto T il periodo orbitale: 2 r r T 2 r v GM T 4 3 r GM 2 2 Sostituendo v nella formula GMm dell’energia,si ha E 2r 28 In fisica elementare si trova che l’energia potenziale di gravità è U = mgh >0, mentre qui abbiamo U = -GMm/r <0. Come si concilia? Dipende dalla scelta del potenziale 0 di riferimento: livello del suolo o punto all’infinito; ma il lavoro, che solo ha significato fisico, non cambia. 29 Se un sasso cade da quota h, il lavoro della gravità è W=mgh-0 = mgh. Ricordo ora che trascurando la rotazione della Terra, mg = GMm/R2, M massa, R raggio della GM Terra: g 2 R GMm GMm 1 1 GM W GMm( )m h Rh R R Rh R ( R h) GM m 2 h mgh R se h è trascurabile rispetto a R. 30 Esercizi: a) Determina la massa della Tera, conoscendo R,g,G. b) La massa del Sole. c) Fino al 1969 era più difficile calcolare la massa della Luna; se non sai come si faceva, immagina un metodo semplice applicabile ora. 31 Maree. La forza di marea è la differenza tra la forza di attrazione alla superficie e la forza di attrazione al centro della Terra da parte del corpo che la produce: Luna, Sole… 32 Sia R il raggio della Terra, r la distanza Terra – Luna. In A: GM Luna GM Luna 2Rr R 2R Fmarea 2 GM Luna GM Luna 3 2 2 2 ( r R) r (r R) r r 2 In B: Fmarea GM Luna GM Luna 2Rr R 2 2R GM Luna GM Luna 3 2 2 2 2 ( r R) r ( r R) r r Massa del Sole circa 27 milioni di massa lunare, ma distanza 400 volte maggiore e la sua forza di marea è meno della metà. 33 7. Caduta nel centro di un campo centrale attrattivo. In un campo attrattivo si definisce velocità di fuga la velocità v taLe che E = ½ mv2 + U(r) = 0. Dunque vf = -2U/m. Se v<vf il moto è limitato e se L=0, la particella punta e cade nel centro di forza O. Ma se L≠0, sotto quale condizione la particella cade in O? Decomposta v nelle componenti radiale r’ e trasversa rθ’, si ha: 2 1 1 1 L E m(r 2 r 2 2 ) U (r ) mr 2 E U (r ) mr 2 2 4 0. 2 2 2 mr 2 L E U (r ) 0. 2 2mr 34 2 L (La grandezza 2 2mr si chiama energia potenziale centrifuga). Segue che 2 L 2 2 r U (r ) Er 0 2 m 2 L Siccome 2m è una costamte >0, r può 0 solo se U(r) –∞ come 1/rn con n>2 oppure come -α/r2 con α>L2/2m. 35 Nel caso newtoniano U=-GMm/r, perciò la particella non può cadere nel centro O del campo. Come mai allora i meteoriti cadono sulla Terra? (o sulla Luna, ecc.?). Perché la Terra non è un punto, l’impatto avviene quando la traiettoria del meteorite lo porterebbe a una distanza dal centro della Terra minore del raggio. 36