mm F G 1 2 2 rˆ r g=9.8 m/s2 P mg ˆj Fas μ as N Fad μ ad N Fav γv FORZA GRAVITAZIONALE: FORZA PESO: FORZA D’ATTRITO STATICO: FORZA D’ATTRITO DINAMICO: FORZA D’ATTRITO VISCOSA: Primo principio della dinamica: Il corpo è in quiete o si muove di moto rettilineo uniforme F12 F21 i Fi 0 Secondo principio della dinamica: Fnet F m a i i Fx ma x Fy ma y F ma z z L’accelerazione di un corpo è proporzionale alla forza risultante su di esso ed inversamente proporzionale alla sua massa. Un corpo è in equilibrio quando la somma delle forze agenti su di esso è nulla Terzo principio della dinamica: Se due corpi interagiscono, le forze esercitate da un corpo sull’altro sono: •Uguali in modulo e direzione le forze di azione e reazione agiscono sempre su corpi diversi: •Opposte in verso •Non si combinano in una forza risultante •Non si elidon a vicenda Esercizio: Un corpo di massa pari a 25 Kg è tirato da due funi ortogonali tra loro. Ciascuna fune esercita una forza di 80 N. L’accelerazione del corpo è: 1.4,5 m/s2 Fnet y F2 F2 2 2 2 2 2.6,4 m/s2 Fnet Fnet y Fnetx F1 F2 2 80 N F net 2 F F 3.3,2 m/s 1 netx 2 4.113 m/s F1 Fnet ma a Fnet m 2 80 25 m s 2 4.5 m s 2 Esercizio: Un corpo di massa 70 Kg è soggetto, oltre alla forza peso, ad una forza verticale di 480 N diretta verso l’alto. L’accelerazione del corpo è: ma Fnet F P 480N mg 480 70 9.8N 1.2,9 m/s2 orientata verso l’alto F (480 686) N 2 0 6N 2.2,9 m/s2 orientata verso il basso 3.16,6 m/s2 orientata verso l’alto 4.16,6 m/s2 orientata verso il basso P a Fnet m 206 70 m s 2 2 .9 m s 2 Esercizio: Se tra due corpi agiscono soltanto forze di mutua interazione ed i due corpi partono da fermi, le accelerazioni possedute da ciascuno di essi sono: direttamente proporzionali alle rispettive masse inversamente proporzionali alle rispettive masse nulle necessariamente uguali m1a1 F a1 F m1 1 m1 F1 m1 a1 F2 m 2 a 2 F m 2a 2 F a 2 F m 2 1 m 2 Esercizio: Due persone stanno spingendo un tavolo di massa 50kg una verso Est con una forza di 4N, l’altra verso Nord con una forza di 3N. Come si muoverà il tavolo? N Ftot FN M M=50kg FE=4N FN=3N E FE Se facciamo la composizione delle due forze(ortogonali fra loro), la forza risultante ha modulo: Ftot FE 2 FN 2 4N2 3N 2 5N Possiamo cioè considerare le due forze come le proiezioni della forza Ftot sugli assi x (direzione est) ed y (direzione nord): FE Ftotx cos θ FN Ftotx sin θ FN FE Ftot sin θ sin θ tan θ cos θ Ftot cos θ La direzione della forza risultante è definita dall’angolo q: F θ arctan N FE 3N θ arctan arctan 0.75 37 4N Trovata la forza risultante applichiamo il secondo principio della dinamica per trovare l’accelerazione: F tot 5N Ftot FE FN ma a 0.1 m / s 2 M 50Kg Di conseguenza il tavolo si muoverà con accelerazione a di modulo pari a 0.1 m/s2 e direzione (data dalla direzione della forza risultante applicata) formante un angolo di 37° rispetto alla direzione EST. Esercizio: Una navicella spaziale avente una massa di 500 kg scende sulla Luna con velocità costante pari a 2.0m/s. A 4.0m dal suolo lunare si spengono i razzi e la navicella alluna a 4.1m/s con moto uniformemente accelerato. Qual’è la forza di propulsione dei razzi? Frazzi m= massa della navicella = 500 kg v0 = v(t0) = velocità della navicella quando vengono spenti i razzi = 2.0 m/s h = y(t0) = altezza alla quale vengono spenti i razzi = 4.0 m vf = v(tf) = velocità con cui atterra la navicella = 4.1 m/s 4m FLuna y y=0 La forza propulsiva dei razzi è quella in grado di annulare la forza di attrazione gravitazionale della luna, cioè: Frazzi ma razzi Fluna ma luna Dobbiamo quindi prima di tutto calcolare quanto vale l’accelerazione gravitazione sulla luna (NB non è 9.8m/s2) Utilizziamo le equazioni del moto uniformemente accelerato a cui è sottoposta la navicella negli ultimi 4m di discesa Velocità: vt v 0 a lunat Spostamento: yt h v 0 t h v0t f h v0 1 a luna t f2 0 2 t vt v 0 a luna 1 a luna t 2 2 tf vf v0 a luna yt f 0 h v 0 t f Sostituituendo tf con: 1 a luna t f2 2 vf v0 a luna v f v 0 2 ha luna v f v 0 v 0 v f 2 v 0 2 vf v0 1 a luna 0 2 a luna 2 a luna a luna ha luna v f v 0 v f 2 v 0 2 ha luna a luna v f2 v 02 2h 1 v f v 0 v f v 0 ha luna 1 v f2 v 02 0 2 2 4.1 m s 2 2.0 m s 2 12.8 m 2 s 2 1.6 m s 2 8.0 m 8.0 m a luna 1.6 m s 2 Frazzi m a razzi m a luna 500Kg 1.6 m s 2 800N FORZA CENTRIPETA (moto circolare uniforme) Un corpo che si muove con: •Velocità v costante in modulo •Lungo una traiettoria circolare Subisce un’accelerazione centripeta: •Diretta verso il centro della circongferenza •Sempre ortogonale all vettore velocità v Esempio: Disco da hokey su una traiettoria circolare INERZIA del disco => moto su una linea retta TENSIONE del filo => mantiene la traiettoria circolare Se il filo si rompe il disco si muove lungo una linea retta tangente alla circonferenza (v è costante) ATTENZIONE: La forza centripeta NON è un nuovo tipo di forza, ma è una qualsiasi forza che causa un’accelerazione centripeta Palla trattenuta sa un filo Rotor Satellite intorno alla aTerra Esercizio: Una forza centripeta mantiene un corpo in moto circolare uniforme. Volendo raddoppiare il raggio della traiettoria senza modificare la sua velocità occorre moltiplicare la forza per un fattore: 1/2 F m v 2 r 4 1 v2 F m v 2 2r 1 m v 2 r 1 F Fr ma r m r̂ 2 2 1 r 2 2 1/4 Esercizio: Una forza centripeta mantiene un corpo in moto circolare uniforme. Volendo raddoppiare la sua velocità senza modificare il raggio della traiettoria occorre moltiplicare la forza per un fattore: 4 1 F1 mv 2 r 2 2 2 F2 m2v r 4 mv r 4 F1 1/2 Forza gravitazionale: Forza di attrazione di un corpo verso un altro corpo mm F G 1 2 2 rˆ r Se m1=massa della terra G 6.67 10 g 11 Nm 2 Kg 2 GmT 9.81 m s 2 con r R T 6370 km r2 Esercizio: Due corpi di uguale massa si trovano a distanza R. Se la loro massa e la loro distanza vengono raddoppiate, cosa accade alla forza gravitazionale? 1. rimane invariata m1m 2 m2 2. raddoppia F G G 1 3. si dimezza r2 r2 F1 F2 2 2m m2 4. quadruplica F2 G G 2 r 2r 2 Esercizio: Due corpi di uguale massa si trovano a distanza R. Se la loro massa viene raddoppiata e la loro distanza viene dimezzata cosa accade alla forza gravitazionale? 1.rimane invariata m1m 2 m2 F G G 2.quadruplica 1 r2 r2 3.raddoppia 2 2 F2 16 F1 2m 16m 4.aumenta di un fattore 16 F2 G G r2 r/2 2 Esercizio: Sapendo che il raggio di Marte è la metà di quello della Terra e che la massa di Marte è 10 volte più piccola di quella della Terra. L’accelerazione di gravità sul suolo terrestre rispetto all’accelerazione di gravità sul suolo di Marte è: identica più grande più piccola dati non sufficienti per il calcolo mM T GMT F G mg g T 2 2 RT RT mM M mM T 10 4 GMT 2 FM G g M G mg M g 2 2 2 10 R T 5 R T 2 RM FORZA NORMALE: Se un corpo poggia su una superficie la superficie si “deforma” e spinge il corpo con una forza normale N sempre perpendicolare alla superficie stessa. F Es. 1 corpo di massa m poggiato su un tavolo y N mg ma y , poichè a y 0 N mg F y N mg - F1y ma y N mg F1y a y 0 Es. 2 corpo di massa m premuto su un tavolo La Forza Normale NON è necessariamente uguale al peso Es. 3 corpo di massa m su un piano inclinato senza attrito F F x Fg sinθ mg sinθ ma x 0 y N mg cosθ ma y 0 N mg cosθ y La forza normale bilancia solo la componente della forza peso perpendicolare alle superficie d’appoggio x La Forza Normale NON è necessariamente diretta lungo la forza peso Esercizio: Un uomo massa pari a 80 kg, all’interno di un ascensore in discesa, ha un peso apparente (pari ad una reazione vincolare esercitata su di lui dal pavimento) di 400 N. L’accelerazione dell’ascensore è: 1.nulla 2.4.8 m/s2 diretta verso l’alto 3.4.8 m/s2 diretta verso il basso 4.14.8 m/s2 diretta verso l’alto F ma P R mg 400 N (784 400) N - 384N a 384 N 80 Kg 4.8 m s 2 TENSIONE: Le funi sono dispositivi che permettono di trasmettere l’ azione di una forza applicata in un dato punto ad un punto diverso. •funi di massa trascurabile e inestensibili. => se applico una forza a un estremo di una fune tesa, questa risponde con una forza (tensione) che si trasmette lungo la fune in modo tale che ogni punto della corda abbia accelerazione nulla relativamente a tutti gli altri. l’ accelerazione degli estremi della corda e’ la stessa. Tensione nella corda = modulo T della forza agente sul corpo Le tensioni ai capi della corda sono uguali ed opposte Esercizio: Un corpo di massa m e’ trascinato lungo un piano orizzontale da un altro corpo della stessa massa attraverso una fune. Su quest’ultimo corpo agisce una forza F, parallela al piano orizzontale. La tensione della fune e’: 1. F m m 2. F/2 1 2 F 3. 2F 4. F·m R R T T F P Corpo 1 Corpo 2 ma T ma F T P T F T 2T F T F 2 Esercizio: Una fune in estensibile può sopportare tensioni fino a 1600 N senza spezzarsi. Ad essa E attaccato un corpo di massa 2 Kg, posto in rotazione lungo una circonferenza di 2 m. La massima velocità angolare di rotazione per cui la fune non si spezza è: 20 rad/s T Fc m ω2 R rˆ 40 rad/s T m 80 rad/s T 1600 N w ωmax 20 rad s 400 rad/s mR 4 kg m R ESEMPIO1: Scatola contro il muro Come può una forza orizzontale impedire ad un oggetto di muoversi verticalmente? 1) 2) Ho bisogno di attrito Devo premere abbastanza F contrasta N Fs μ s N contrasta Fg mg mg μ s N mg μ s N ma F La scatola resta ferma La scatola scivola Esercizio: Una cassa di massa 100Kg è appoggiata su un pavimento orizzontale, il cui attrito statico vale =0,23. Qual è il modulo della minima forza orizzontale che si deve applicare alla cassa per spostarla? 1) 132 N Fas μ as N μ as mg 2) 1296 N 3) 23 N F F F - Fas 0 F Fas μ as mg 0.23 100 9.8 N 225.4 N as 0 4) 225,4 N Eserecizio: Una massa si muove a velocità costante su un piano inclinato. Ne deduciamo che: la risultante delle forze è nulla l’attrito è nullo il piano è orizzontale la reazione vincolare è nulla. Esercizio: Quando un corpo striscia su una superficie orizzontale ruvida si esercita una forza di attrito dinamico tra le due superfici. E’ vero che: ٧1) la forza d’attrito è parallela alla superficie di contatto ed è orientata nel verso contrario al moto 2)la forza di attrito è proporzionale alla velocità del corpo che striscia 3)la forza di attrito non dipende dalla forza normale al punto di contatto 4)la forza di attrito è diretta normalmente al punto di contatto ed è orientata nel verso contrario al moto Esercizio: Se un corpo di massa 10 kg rimane in equilibrio senza scivolare su un piano inclinato di un angolo = 45 rispetto al piano orizzontale, ne deduciamo che soggetto ad una forza di attrito statico il cui coefficiente di attrito è maggiore o uguale a: 1)0. 2)0.5 y ٧3) 1. F m a 0 Fx ma x Fy ma y 0 4)1.5 N fas Py Fy Py N mg sinα N 0 Fx Px f as mg cosα - μ as N ma x 0 P N mg sinα μ mg cosα cosα as mg sinα sinα x Esempio: Serve più forza per spingere o tirare? 2 2 1 2 2 Fnet ma F N Fg Fatt F sin θ N mg 0 a) Se spingo: Lungo l’asse y: N mg F sin θ mg y b) Se tiro: Lungo l’asse y: F sin θ N mg 0 x N mg F sin θ mg Fatt μ D N È minore quando si tira!!! Attrito viscoso Esistono situazioni in cui l’ espressione per la forza di attrito non e’ cosi’ semplice come nel caso dell’ attrito statico o cinematico radente. Consideriamo ad esempio il caso di un oggetto che cada in aria. Sappiamo tutti che l’ aria oppone una certa resistenza alla caduta, che pero’ dipende dalle caratteristiche dell’ oggetto. Ad esempio, un piuma cade molto piu’ lentamente di un pallino di piombo. Lo stesso accade per oggetti che si muovano un un fluido. Qesto tipo di attrito e’ detto attrito viscoso, e ha una caratteristica molto importante: il suo modulo,direzione e verso dipendono dalla velocita’ con cui si muove l’ oggetto: Fν γv Il coefficiente g dipende da molti fattori, tra i quali la viscosita’ del fluido in cui l’ oggetto si muove, e le sue caratteristiche geometriche. Caduta nell’aria Vogliamo ora studiare il moto di un oggetto che cada in aria, e quindi in presenza di attrito viscoso. Dobbiamo innanzitutto scrivere le equazioni del moto, che possono essere ridotte a una singola componente (il moto avviene lungo una retta). ma mg γv Fv mg y m dv(t) ٭ mg γv(t) dt NB: il segno “-” della forza di attrito viscoso: non vogliamo fare assunzioni sul verso di v, che verra’ determinato dal segno della soluzione che troveremo. La soluzione che cerchiamo e’ la funzione seguente: γ mg t v(t) 1 e m γ Infatti se deriviamo rispetto al tempo otteniamo: γ dv(t) t ge m dt E sostituendo v(t) e dv(t)/d(t) nell’ equazione del moto ٭possiamo verificare che l’eguaglianza e’ soddisfatta. •L’ accelerazione tende ad annullarsi quando il tempo diventa >> g/m. •La velocita’ nel contempo tende al valore costante –mg/ g. Questo valore e’ detto velocita’ limite. Esecizio: Per un corpo che si muove nell’aria a piccola velocità, la resistenza dell’aria è rappresentata da una forza che agisce in senso contrario al moto ed è proporzionale alla velocità. La velocità del corpo che cade da fermo: ٧1)è descritta da un andamento esponenziale che tende ad un valore costante 2)e’ costante 3)e’ sempre crescente 4)è sempre decrescente γ v(t) mg γ t m 1 e Esercizio: Per un corpo che si muove nell’aria a velocità non troppo elevate, la resistenza dell’aria è rappresentata da una forza di attrito viscosa. Se il corpo, inizialmente fermo, cade da una certa quota: 1)la velocità aumenta proporzionalmente al tempo di caduta 2)l’accelerazione è costante ٧3)la velocità aumenta inizialmente poi tende ad un valore costante 4)l’accelerazione aumenta con la distanza percorsa a(t) g v(t) mg/g t t Una piccola sfera di massa m=3.00 g è lasciata cadere in una bottiglietta di shampoo liquido. Sapendo che la Velocità limite è vL=2.00 cm/s, trovare a) Il valore del parametro g; b) Il tempo t1 necessario per raggiungere la velocità v1=0.632 vL; c) Il valore della forza ritardante quando la sferetta raggiunge la velocità limite Alla velocità limite si ha che: 3 10 3 Kg 9.8 m s 2 mg mg Fν mg γv 0 mg γv γ 1.47 Ns m v 2 10 2 m s v(t) mg γ a) γ γ γ 1 e m t v L 1 e m t v(t) 0.632 v L v L 1 e m t γ γ 1 e m t 0.632 e m t 1 0.632 0.368 γ m t ln0.368 t ln0.368 2.04 10 3 s m γ b) mg Fν mg γv 0 Fν mg Fν 3 10 3 Kg 9.8 m s 2 2.9 10 2 N c) Le leggi di Keplero I legge: I pianeti percorrono orbite ellittiche intorno al sole che occupa uno dei fuochi dell’ellisse. II Legge: La velocità areale, con cui il raggio vettore che unisce il sole ad un pianeta descrive l’orbita, e’ costante. III Legge: Il quadrato del periodo di rivoluzione di ogni pianeta e’ proporzionale al cubo del semiasse maggiore dell’ ellisse: T2 = kr3 A partire da tali leggi Newton fu in grado di determinare la forza che esprime l’interazione gravitazionale generata dalla presenza di due corpi dotati di massa. Esercizio: Il periodo di rotazione di Plutone attorno al sole è superiore a quello di Marte. Questo fenomeno è spiegato da: 1)prima legge di Keplero T2 = kr3 ٧2)terza legge di Keplero 3)seconda legge di Keplero 4)conservazione dalla velocità areale Esercizio: Un satellite è lanciato dalla terra. Quali delle seguenti affermazioni è necessariamente falsa: 1)il satellite si pone su una traiettoria ellittica in cui la terra occupa uno dei fuochi ٧2)il satellite si pone su una traiettoria ellittica percorsa a velocità costante 3)il satellite spazza aree uguali in tempi uguali 4)il periodo di rotazione del satellite è tanto maggiore quanto maggiore è il raggio dell’orbita Esercizio: La Terra si muove più velocemente durante l’inverno quando si trova più vicina la Sole. Questo è spiegato dalla: 1)prima legge di Keplero La velocità areale, con cui il raggio vettore che unisce il sole ad un 2)terza legge di Keplero pianeta descrive l’orbita, e’ costante ٧3)seconda legge di Keplero 4)conservazione dell’energia cinetica Esercizio: La terza legge di Keplero implica che il quadrato della frequenza di rivoluzione di un satellite e': 1)proporzionale al cubo del semiasse maggiore dell'orbita ٧2)inversamente proporzionale al cubo del semiasse maggiore dell'orbita 3)proporzionale alla massa del satellite 2 2 3 4)proporzionale all'area dell' orbita T = kr 1 1 ν 3 T r Esercizio: Un'orbita circolare è sicuramente geostazionaria se: 1)il raggio è costante 2)la velocita' è costante ٧3)se la velocità angolare è uguale a quella della rotazione terrestre 4) se la velocità angolare è costante