UNIVERSITÀ DEGLI STU DI DI CATANIA CORSO DI FISICA ED APPLICAZIONI FISICHE PER IL CORSO DI LAUREA IN SCIENZE DELLA TERRA Dr. Sfienti Concettina Dr. De Napoli Marzio OSCILLAZIONI DI UNA MOLLA Ut tensio sic vis* Se imponiamo una deformazione x ad un sistema elastico, come ad esempio una molla, questo reagisce con una forza F proporzionale alla deformazione e diretta in verso opposto a questa: (1) (Legge di Hooke) k è detta costante elastica del sistema e rappresenta una misura diretta della sua “durezza”. Misura 1 Verifica della legge di Hooke e misura statica della costante elastica di una molla. Esecuzione Una molla ad elica sia sospesa verticalmente con l’estremo inferiore nella posizione 0. Si appenda all’estremo inferiore una massa nota m. Sotto l’azione della forza peso la molla si all’ungherà di un tratto x0. Si misuri la deformazione statica x0 utilizzando, per esempio, una scala graduata posta di fianco alla molla. * come l'estensione, così la forza Si ripeta la misura dell’elongazione della molla appendendo diverse masse m. Si riportino in un grafico i valori della forza peso applicata alla molla, in funzione dei corrispettivi valori di elongazione x0. Verificata la linearità tra F ed x0 la legge di Hooke resta dimostrata. Inoltre il coefficiente angolare della rettà sarà uguale al valore della costante elastica della molla k. Cosa devo misurare? Le elongazioni della molla (x0) per diverse masse di valore noto. Esempio Misura 2 Misura della costante elastica di una molla Esecuzione Una molla ad elica sia sospesa verticalmente con appesa all’estremo inferiore una massa nota m. Si faccia oscillare la molla e si misuri, mediante cronometro, l’intervallo di tempo ∆t impiegato dalla molla a compiere N oscillazioni (es. 100 oscillazioni). In questo modo sarà noto il periodo di oscillazione della molla: Il moto della massa m sospesa alla molla è armonico di periodo: (2) Nota quindi la massa m e misurato il periodo di oscillazione T sarà possible, utilizzando l’eq. 2, risalire alla costante elastica della molla k. Cosa devo misurare? L’ intervallo di tempo ∆t impiegato dalla molla a compiere N oscillazioni. Misura 3 Il dinamometro Il dinamometro è uno strumento per la misurazione della forza. La sua struttura è molto semplice poiché è costituito da una mollla con una scala graduata. E’ possible quindi utilizzare una molla di costante elastica nota come una bilancia. Esecuzione Una molla ad elica di costante elastica nota sia sospesa verticalmente. Si appenda alla molla una massa m di cui si vuole conoscere il valore. Come descritto nella Misura 1 si misuri l’elongazione della molla x0. Poichè la massa m sarà data da: (3) E’ anche possible misurare la massa dal periodo di oscillazione della molla. Come descritto nella Misura 2 si faccia oscillare la molla e se ne misuri il periodo di oscillazione T. Dall’eq (2), misurato T e nota k è possible risalire al valore della massa m. Cosa devo misurare? La costante elastica k della molla, l’elongazione x0 e l’ intervallo di tempo ∆t impiegato dalla molla a compiere N oscillazioni. Nota La sensibilità del dinamometro dipende dalla costante elastica k della molla: con piccoli valori di k si ha un dinamometro più sensibile; se ad esempio k=10 N/m, una forza di 1 N allungherà la molla di x= 1N/10 N/m = 0.1 m = 10 cm. Sulla scala graduata di questo dinamometro un intervallo di un centimetro corrisponderà a una variazione di 0,1 N. Per grandi valori di k il dinamometro è invece meno sensibile; se ad esempio k=200 N/m, una forza di 1 N allungherà la molla di x= 1N/200 N/m = 0,005 m = 5 mm. Sulla scala graduata di questo dinamometro un intervallo di un centimetro corrisponderà a una variazione di 2 N. Misura 4 Misura dell’accelerzione di gravità g Esecuzione Una molla sia sospesa verticalmente con appesa all’estremo inferiore una massa m. Si misuri l’elongazione x0 della molla come descritto nella Misura 1 ed il periodo di oscillazione T come descritto nella Misura 2. Sostituendo la m dell’eq. 3 nell’eq. 2 si ottinene: Quindi, misurata l’elongazione x0 ed il periodo di oscillazione T, si può ricavare il valore dell’accelerazione di gravità g. Cosa devo misurare? L’elongazione della molla x0 e l’ intervallo di tempo ∆t impiegato dalla molla a compiere N oscillazioni. Misura 5 Dipendenza della costante elastica di una molla La costante elastica di una molla è data da: con φ: diametro della sezione del filo della molla; D: diametro delle spire; N: numero di spire; G: costante che dipende dal materiale; G=PY/(2(1+P) con P modulo di Poisson e Y modulo di Young. Esecuzione Si misuri la costante elastica di tre molle diverse come descritto nella Misura 1 e/o 2. Si provi ad utilizzare 2 molle fatte dello stesso material. Per ogni molla si misurino: numero di spire, diametro della sezione del filo (con calibro), diametro delle spire. Si verifichi che nel caso delle due molle fatte con lo stesso materiale il rapporto tra le costanti elastiche è: Cosa devo misurare? Per tre molle diverse: la costante elastic k, il numero di spire N, il diametro delle spire D, il diametro della sezione del filo della molla φ.