Un corpo di massa m= 0.5 kg, che si muove su di un piano orizzontale liscio con velocità v=0.5 m/s verso sinistra, colpisce una molla di costante elastica k=50N/m inizialmente non deformata. I • Determinare la massima compressione della molla. esonero • Determinare la velocità con cui il corpo abbandona la molla, quando questa ritorna nella condizione iniziale. • Utilizzando la seconda legge di Newton, mostrare che il moto del corpo durante il tempo in cui è attaccato alla molla è armonico. • Scrivere la legge oraria del moto e determinare la pulsazione angolare, l'ampiezza e la fase iniziale del moto armonico • Determinare il periodo del moto armonico ed la durata dell'intervallo di tempo durante il quale il corpo resta in contatto con la molla. y k v m O Ef Ei 1 2 mv i 2 Ui 0 Ki Kf 0 1 U f kx 2max 2 x Oltre alla forza elastica che agisce quando il corpo è a contatto con la molla Le altr forze agenti sono: La forza peso (fa lavoro nullo: perpendicolare allo spostamento) La Normale (fa lavoro nullo: perpendicolare allo spostamento) Si conserva l’energia meccanica K f Uf K i Ui i è l’istante iniziale quando il corpo entra in contatto con la molla f è l’istante finale, quando il corpo si ferma momentaneamente prima di invertire il moto (condizione di massima compressione della molla) 1 2 1 kxmax mv 2i 2 2 m m 0.5 0.5 s 0.05m k s 50 G.M. - Informatica B-Automazione 2002/03 xmax v i la velocità con cui il corpo abbandona la molla, quando questa ritorna nella condizione iniziale è uguale a quella di arrivo. La forza elastica è conservativa, le altre forze non hanno compiuto lavoro. I Applichiamo la conservazione dell’energia con esonero • i è l’istante iniziale quando il corpo entra in contatto con la molla • f è l’istante finale, quando il corpo si allotana dalla molla Ef Ei K f Uf K i Ui 1 1 2 mv f mv 2i 2 2 1 2 mv 2 f Uf 0 1 2 mv i 2 Ui 0 Kf Ki v m m vf vi 0.5 s Fel P N ma Dimostriamo che il moto è armonico: L’equazione lungo l’asse x è l’equazione tipica del moto armonico: l’accelerazione proporzionale all’opposto della posizione. La legge oraria sarà del tipo: t 0 xo 0 vo .5m / s k x Acos p t v x Ap sen p t 0 A cos 2 3 2 .5 ms Ap sen x Felx ma x y N mg 0 d2 x k ma x kx x dt 2 m k 50 rad p 100 10 m 0.5 s Posizione iniziale Velocità iniziale G.M. - Informatica B-Automazione 2002/03 t 0 xo 0 vo .5m / s 0 A cos 2 3 2 v o .5 ms Ap sen Velocità iniziale Il fatto che l’ampiezza deve essere positiva porta a concludere che 2 E l’ampiezza vale A vo p I esonero Posizione iniziale .5 ms rad 10 s k v m .05m Il periodo del moto armonico (se il corpo fosse attaccato alla molla): 2 6.28 T rad .0.628s p 10 s Per determinare la durata del moto si osservi che il corpo rimane in contatto con la molla per metà ciclo, quindi la durata del moto La legge sarà del tipo: sarà metàoraria del periodo: T 0.628s t 0.314s 2 2 G.M. - Informatica B-Automazione 2002/03 Un eschimese seduto sulla cima di un blocco di ghiaccio di forma emisferica, come mostrato in figura, di raggio R=3 m, riceve una piccola spinta che lo va partire dalla sommità del blocco con una velocità di 1.9 m/s. • Determinare l'angolo q, rispetto alla verticale, a cui l'eschimese si stacca dal ghiaccio. • Determinare infine la distanza dal centro del blocco del punto di impatto al suolo. Si assuma il blocco di ghiaccio privo di attrito. N Il problema è identico a quello svolto nella lezione 18 P N ma q I esonero un v2 mg cos q N m R P v2 Il distacco si avrà quando N=0 N mg cos q m R Troviamo la velocità in funzione di q con la conservazione dell’energia (osservaiamo che la Normale fa lavoro nullo). Poniamo U=0 alla sommità E Wn c WN 0 Ndr Ef Ei K f Uf K i Ui mv 2i 0 12 mv 2f mgh h R 1 cos q 1 2 E’ l’unica cosa che cambia rispetto al problema della lezione 18 v2i 2gR 1 cos q v2i v q 2gR 1 cosq N mg cos q m m mg 3cos q 2 m R R R 2 1.9 v 2i 2 2 q distacco ar cos0.707 45 N 0 cos q 0.707 G.M. - Informatica B-Automazione 2002/03 3gR 3 3 9.81 3 3 2 v2i Cerchiamo ora il punto di atterraggio. 2 R 2.12m 2 2 y d R cos 45 R 2.12m 2 x d Rsen 45 q P vd v xd v yd v2i v v 2 q v2i 2gR 1 cosq 2 m 2gR 1 cos q 1.9 2 9.81 31 7.76 2 s 2 2 vd cos q d 7.76 5.49 ms 2 2 v d senq d 7.76 5.49 ms 2 x x d vxd t Facendo ripartire il 2 y y d vyd t 12 gt cronometro nel momento del distacco. y d v y dt 12 gt 0 t 2 t I esonero vy d v2 y d 2gy d t 1 0.30s t 1 1.42s g v y d v 2y d 2gy d g 5.49 5.492 2 9.81 2.12 5.49 8.47 9.81 9.81 x x d vxd t 2.12 5.49 .30 3.77m G.M. - Informatica B-Automazione 2002/03 Un orsetto di 25 kg si lascia scivolare, da fermo, per 12 m lungo un palo raggiungendo la velocità di 5.6 m/s. • Quale variazione ha subito la sua energia potenziale? • Qual è la sua energia cinetica subito prima di toccare il suolo? • Qual è stata la forza media di attrito che ha agito sull'orsetto durante il suo moto? y L’energia potenziale della forza peso: Assegnando energia potenziale 0 ai punti 12 m sul piano y=0 U P mgy I esonero UP = U Pf U Pi mgy f mgy i mg(y f y i ) m 25kg 9.81 2 (0 12m) 2940J s L’energia cinetica prima di toccare il suolo è 2 data da: 1 1 2 2 m K f mv f 25kg 5.6 2 392J 2 2 s x Le forze che hanno agito sull’orsacchiotto durante la sua discesa: La forza peso conservativa La normale N, la forza perpendicolare alla superficie del palo dovuta al fatto che l’orsacchiotto per non cadere liberamente ha stretto a se il palo (non compie lavoro) La forza di attrito (dinamico) la component e parallela a l vincolo della reazione vincolare E Wnc Fad L Fad = E U K 2940 392 J 212.3N L L 12 m G.M. - Informatica B-Automazione 2002/03 Se l’angolo q della forza F agente sul blocco fermo cresce, le seguenti grandezze aumentano, diminuiscono o rimangono le stesse? (a)la componente x della forza Fx; (b)la forza di attrito statico fs; (c) la normale N; (d)la forza di attrito statico fsmax. (e) Se invece il blocco non fosse fermo, il modulo della forza d’attrito aumenterebbe, diminuirebbe o resterebbe uguale? • Le altre forze agenti sul blocco sono • La forza peso • La Reazione vincolare Da cui si ottiene: P La seconda legge di Newton vale Proiettando nella direzione orizzontale x e verticale y: x Fcosq Fa 0 y N mg Fsenq 0 Statico se il corpo è fermo Dinamico se è in moto Fa Fcosq Fa F P N Fa ma 0 • Con la componente normale N • E la forza di attrito • • N I esonero N mg Fsenq Pertanto se q aumenta La componente x della forza F diminuisce La forza di attrito statico diminuisce La normale N aumenta La forza di attriti statico massimo aumenta La forza di attrito dinamico aumenta Fx Fcosq Fa Fcosq N mg Fsenq Famax sN Fd dN G.M. - Informatica B-Automazione 2002/03