www.scuolainweb.altervista.org I VETTORI Problemi di Fisica I Vettori PROBLEMA N. 1 Determinare la risultante, sia dal punto di vista grafico che analitico, delle seguenti forze: F1 = (2; 6) F2 = (-4; 2) F3 = (-6; -3) F4 = (0; -4) SOLUZIONE Metodo grafico Rappresentiamo graficamente queste forze e con l’aiuto dell’algebra vettoriale (regola del parallelogramma) determiniamo la forza risultante: www.scuolainweb.altervista.org I VETTORI Metodo analitico Tenendo presente il verso delle componenti delle quattro forze, totale sono date da: FXT = ∑ FX = 2 − 4 − 6 + 0 = −8 N le componenti della forza FYT = ∑ FY = 6 + 2 − 3 − 4 = 1 N per cui il modulo della forza totale è dato da: 2 2 FT = FXT + FYT = (− 8)2 + (1)2 = 65 = 8.1N mentre l’argomento è: tgα = FyT FxT = 1 = −0,125 ⇒ α = −7,1° = 172,9° −8 F = (-8; 1) www.scuolainweb.altervista.org I VETTORI PROBLEMA N. 2 Determinare la risultante, sia dal punto di vista grafico che analitico, delle seguenti forze: α 1 = 30° F3 = 70 N α 3 = 180° F1 = 30 N F2 = 140 N F4 = 80 N α 2 = 135° α 4 = 250° SOLUZIONE Metodo grafico Rappresentiamo graficamente queste forze, riportandole in scala sul sistema di assi cartesiani, e con l’aiuto dell’algebra vettoriale (regola del parallelogramma) determiniamo la forza risultante: www.scuolainweb.altervista.org I VETTORI Metodo analitico Le componenti delle singole forze sono: F1 X = F1 ⋅ cos α 1 = 30 ⋅ cos 30° = 26 N F2 X = F2 ⋅ cos α 2 = 140 ⋅ cos 135° = −99 N F1 Y = F1 ⋅ senα 1 = 30 ⋅ sen 30° = 15 N F2 Y = F2 ⋅ senα 2 = 140 ⋅ sen 135° = 99 N F3 X = F3 ⋅ cos α 3 = 70 ⋅ cos 180° = −70 N F4 X = F4 ⋅ cos α 4 = 80 ⋅ ⋅ cos 250° = −27 N F3 Y = 0 F4 Y = F4 ⋅ senα 4 = 80 ⋅ sen 250° = −75 N Le componenti della forza totale sono date da: FXT = ∑ FX = 26 − 99 − 70 − 27 = −170 N FYT = ∑ FY = 15 + 99 + 0 − 75 = 39 N F = (-170; 39) Pertanto l’intensità della forza risultante è data da: 2 2 FT = FXT + FYT = (− 170 )2 + (39 )2 = 28900 + 1521 = 30421 = 174 N mentre l’argomento è: tgα = FYT 39 = = −0,23 FXT − 170 α = −13° = 167° www.scuolainweb.altervista.org I VETTORI PROBLEMA N. 3 Un’automobile si sposta di 40 km verso est spostamento risultante. e di 30 km verso nord. Determinare lo SOLUZIONE Rappresentiamo graficamente il problema: dove il vettore risultante è stato trovato applicando la regola della poligonale, detta anche punta – coda. Il modulo e l’argomento dello spostamento risultante sono dati da: S = 40 2 + 30 2 = 2500 = 50 km tgα = 30 = 0,75 ⇒ α = 36,9° 40 www.scuolainweb.altervista.org I VETTORI PROBLEMA N. 4 Considera i due vettori spostamento AB e BC della seguente figura. Calcolare il vettore somma AC, sapendo che il modulo di AB e quello di BC sono 100 m. SOLUZIONE Graficamente il vettore somma è dato dalla regola della poligonale. Dal punto di vista analitico si procede nel seguente modo: Calcoliamo le componenti di S1 e S2: S1x = 0 S1y = 100m S 2 x = S 2 ⋅ cos α 2 = 100 ⋅ cos(90° − 60°) = 86,6m S 2 y = S 2 ⋅ senα 2 = 100 ⋅ sen (90° − 60°) = 50m Il vettore somma avrà come componenti: S Tx = S1x + S 2 x = 0 + 86,6 = 86,6m S Ty = S1y + S 2 y = 100 + 50 = 150m Pertanto, l’intensità e l’argomento sono dati da: 2 2 S T = S Tx + S Ty = 86,6 2 + 150 2 = 173m tgα = S TY 150 = = 1,73 ⇒ α = 60° S TX 86,6 ST = (86,6; 150) www.scuolainweb.altervista.org I VETTORI PROBLEMA N. 5 Un ragazzo attraversa a nuoto un fiume con una velocità V = 5 km/h. Se la velocità della corrente è VC = 3 km/h, quale sarà la velocità effettiva del ragazzo e la sua direzione di nuoto? SOLUZIONE Rappresentiamo il problema dal punto di vista vettoriale: Il ragazzo si muoverà con una velocità effettiva V1 che è la risultante tra le velocità V e VC, il cui modulo e argomento è dato da: V1 = V 2 + VC2 = 5 2 + 3 2 = 5,83km / h tgα = V 5 = = 1,67 ⇒ α = 59° VC 3 PROBLEMA N. 6 Il vettore a è rivolto verso Nord ed ha intensità a = 4,0. Il vettore b è rivolto verso Nord – Est, formando un angolo di 30° con il primo, ed ha intensità b = 6,5. Determinare il loro prodotto scalare e vettoriale: SOLUZIONE Prodotto scalare r r c = a • b = a ⋅ b ⋅ cos α = 4,0 ⋅ 6,5 ⋅ cos 30° = 22,5 c = scalare Prodotto vettoriale r r r c = a⊗b c = a ⋅ b ⋅ senα = 4,0 ⋅ 6,5 ⋅ sen 30° = 13 c è un vettore di modulo 13, diretto perpendicolarmente al piano contenente i vettori a e b e orientato verso il basso (regola del cavatappi o regola della mano destra). www.scuolainweb.altervista.org I VETTORI PROBLEMA N. 7 Siano dati il vettore a = (4; -2) ed il vettore b = (3; 1). Calcolare il prodotto scalare e vettoriale. SOLUZIONE Rappresentiamo i due vettori su un sistema di assi cartesiani: Calcoliamo modulo ed argomento di ogni singolo vettore: a = 4 2 + (−2) 2 = 4,5 tgα 1 = b = 3 2 + 1 2 = 3,2 −2 = −0,5 ⇒ α 1 = −26,6° 4 tgα 2 = 1 = 0,3 ⇒ α 2 = 18,4° 3 Pertanto l’angolo tra i due vettori sarà: α = α 1 + α 2 = 45° In definitiva: Prodotto scalare r r c = a • b = a ⋅ b ⋅ cos α = 4,5 ⋅ 3,2 ⋅ cos 45° = 10,2 c = scalare Prodotto vettoriale r r r c = a⊗b c = a ⋅ b ⋅ senα = 4,5 ⋅ 3,2 ⋅ sen 45° = 10,2 c è un vettore di modulo 10,2 e diretto perpendicolarmente al piano contenente i vettori a e b e con verso uscente dal piano, cioè verso l’osservatore (regola del cavatappi o regola della mano destra). www.scuolainweb.altervista.org I VETTORI PROBLEMA N. 8 Un protone (p = 1,6·10-19 C; m = 1,67·10-27 kg) entra in un campo magnetico uniforme B=0,30 T, con una velocità V = 1,0·104 m/s perpendicolare al campo magnetico. Calcolare la forza magnetica sul protone. SOLUZIONE Gli esperimenti dimostrano che una carica elettrica immersa in un campo magnetico subisce una forza magnetica data da: r r r F = q⋅V⊗B Poiché F è una grandezza vettoriale, avrà un’intensità pari a: F = q ⋅ V ⋅ B ⋅ senα = 1,6 ⋅ 10−19 ⋅ 1,0 ⋅ 104 ⋅ 0,30 ⋅ 1 = 4,8 ⋅ 10−16 N dove: α = 90° ⇒ sen90° = 1 Un verso e una direzione dati dalla regola della mano destra: ponendo il pollice della mano destra nel verso della velocità e le altre dita nel verso del campo magnetico, la forza magnetica avrà direzione perpendicolare al palmo della mano e verso uscente. www.scuolainweb.altervista.org I VETTORI PROBLEMA N. 9 Dati i vettori a = (4; 6) e b = (-3; 2), calcolare il loro prodotto scalare e vettoriale. SOLUZIONE Poiché sono note le coordinate cartesiane dei vettori, calcoliamo il prodotto scalare e vettoriale nel seguente modo: r r c = a • b = a x b x + a y b y = 4 ⋅ (−3) + 6 ⋅ 2 = 0 punto di applicazione: lo stesso dei vettori a e b direzione: perpendicolare al piano che contiene i vettori a e b verso: entrante intensità: c = axby – aybx = 4 ⋅ 2 – 6 ⋅ (-3) = 26 Esprimendo i vettori a e b attraverso le coordinate polari (modulo ed argomento): a = 4 2 + 6 2 = 7,21 tgα 1 = 6 = 1,5 ⇒ α 1 = 56,3° 4 b = (−3) 2 + 2 2 = 3,6 tgα 2 = 2 = −0,67 ⇒ α 1 = −33,7° −3 il prodotto scalare e vettoriale si calcolano come: r v c = a • b = ab ⋅ cos α = 7,21⋅ 3,6 ⋅ cos 90° = 0 punto di applicazione: lo stesso dei vettori a e b direzione: perpendicolare al piano che contiene i vettori a e b verso: entrante intensità: c = ab ⋅ senα = 7,21 ⋅ 3,6 ⋅ sen 90° = 26 dove: α = 180° − (56,3 + 33,7°) = 90°