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Esercizio leggi della dinamica 21

Dinamica del punto materiale Leggi di Newton in meccanica classica

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Esercizio leggi della dinamica 21

L’esercizio 21 sulle leggi della dinamica è il ventunesimo della raccolta inclusa nella cartella Dinamica del punto materiale: Leggi di Newton in meccanica classica. Questo esercizio è il successivo di Esercizio leggi della dinamica 20 ed è il precedente di Esercizio leggi della dinamica 22. Questo esercizio è progettato per studenti che frequentano un corso di Fisica 1, indirizzato a chi studia ingegneria, fisica o matematica.

 

Testo leggi della dinamica 21

Esercizio 21 (\bigstar\bigstar\bigstar\largewhitestar\largewhitestar). Due punti materiali 1 e 2, ciascuno di massa m, sono vincolati a scorrere senza attrito lungo due binari in un piano orizzontale che formano tra di loro un angolo fisso 2\theta e che giacciono su un piano orizzontale. I due punti materiali sono connessi da una molla ideale, di lunghezza a riposo nulla, di costante elastica k, e di massa trascurabile. Le due masse si muovono in modo da mantenere le rispettive distanze dal punto di giunzione dei due binari uguali tra loro. Calcolare:

  1. Il modulo della forza esercitata dalla molla su ciascuna massa quando le masse distano \ell dal punto in comune dei due binari;
  2. il periodo del moto quando le masse vengono messe ad una distanza generica x^\prime dal punto di intersezione delle due guide.

Si trascuri ogni forma di attrito e supporre che quando i due punti si urtino nel punto di intersezione delle due guide non ci sia dissipazione di energia. In altri termini, supporre che il moto sia periodico anche se sussiste un urto nella posizione di equilibrio x^\prime=0, ovvero quando i due punti materiali si incontrano nel punto di intersezione tra le due guide.

 

 

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Svolgimento Punto 1.

Per risolvere il problema scegliamo due sistemi di riferimento fissi O^{\prime}x^{\prime}y^{\prime} e O^{\prime\prime} x^{\prime\prime} y^{\prime\prime}, tali che gli assi x^{\prime} e x^{\prime\prime} giacciano lungo i due binari, e con O^{\prime} e O^{\prime\prime} coincidenti con i punti materiali di massa m nell’istante iniziale, come mostra la figura 2.

 

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Chiamiamo x la lunghezza della molla, come mostra la figura 2. Sul punto materiale 1 agisce la reazione vincolare \vec{N}_1 e la forza della molla \vec{F}_{\text{el}}. Sul punto materiale 2 agisce la reazione vincolare \vec{N}_2 e la forza della molla -\vec{F}_{\text{el}}. Si osservi che abbiamo considerato solo le forze presenti sul piano orizzontale; la forze peso e la reazioni vincolari di entrambi i corpi sono perpendicolari al piano sul quale giacciono i punti materiali, ma non è necessario considerale ai fini della risoluzione del problema. Facendo riferimento alla figura 1, è possibile esprimere la lunghezza della molla x in funzione dell’angolo \theta; dalla geometria del problema risulta infatti

(1)   \begin{equation*} \dfrac{x}{2}=\ell\sin \theta \quad\Rightarrow\quad x=2\ell \sin \theta, \end{equation*}

da cui, sfruttando la legge di Hooke, concludiamo

    \[\boxcolorato{fisica}{{F}_{\text{el}}=kx =2k\ell \sin \theta.}\]

Siccome la molla è ideale e di massa trascurabile entrambi i corpi sono soggetti a una forza di modulo F_{\text{el}}, stessa direzione, ma verso opposto, come si può dedurre dalla figura 2.

 

Svolgimento Punto 2.

Vista la natura simmetrica del problema, è possibile risolvere il problema analizzando il moto di uno solo dei due punti materiali lungo il binario su cui scorre e asserire che il punto materiale non considerato sia sottoposto simmetricamente alle stessi leggi fisiche. Analizziamo solo il punto materiale 1 e chiamiamo la sua posizione lungo il binario x^{\prime }, nel sistema di riferimento O^\prime x^\prime y^\prime. Per la seconda legge della dinamica, si ha

(2)   \begin{equation*} \begin{cases} N_2-F_{\text{el}}\cos \theta=0\\ -F_{\text{el}}=m\ddot{x^{\,\prime}}, \end{cases} \end{equation*}

o anche

(3)   \begin{equation*} \begin{cases} N_2-kx\cos \theta=0\\ -kx\sin\theta=m\ddot{x^{\,\prime}}, \end{cases} \end{equation*}

conseguentemente

(4)   \begin{equation*} \begin{cases} N_2-kx\cos \theta=0\\[10pt] \ddot{x^{\,\prime}}+\dfrac{k}{m}x\sin\theta=0, \end{cases} \end{equation*}

dove x è la lunghezza della molla definita nel punto precedente e \ddot{x^{\,\prime}} è l’accelerazione del punto materiale 1 nel sistema di riferimento O^\prime x^\prime y^\prime. Consideriamo la figura 3.

 

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Dalla figura 3, si deduce che

(5)   \begin{equation*} \dfrac{x}{2}=x^\prime \sin \theta , \end{equation*}

da cui, derivando ambo i membri, si ottiene

(6)   \begin{equation*} \dfrac{ \dot{x}}{2}=\dot{x^\prime} \sin \theta , \end{equation*}

di nuovo, derivando ambo i membri, otteniamo

(7)   \begin{equation*} \dfrac{ \ddot{x}}{2}=\ddot{x^\prime} \sin \theta , \end{equation*}

e quindi abbiamo

(8)   \begin{equation*} \ddot{x^\prime}=\dfrac{\ddot{x}}{ 2\sin \theta}. \end{equation*}

Mettendo a sistema le equazioni (4)_2 e (8), otteniamo

(9)   \begin{equation*} \dfrac{\ddot{x}}{ 2\sin \theta}+\dfrac{k}{m}x\sin\theta=0, \end{equation*}

oppure

(10)   \begin{equation*} {\ddot{x}}+\dfrac{2k}{m}x\sin^2\theta=0. \end{equation*}

L’equazione (10) è la condizione necessaria e sufficiente affinché un moto sia armonico semplice, pertanto deduciamo che la pulsazione è

(11)   \begin{equation*} \omega^2=\dfrac{2k}{m}\sin^2\theta. \end{equation*}

Per il calcolo del periodo dobbiamo prestare molta attenzione alla fisica del problema. Consideriamo, ad esempio, il caso massa-molla che in x=0 (posizione di equilibrio) presenta una parete verticale con cui la massa urta elasticamente. Poiché non è libera di andare nelle x negative, il periodo si dimezza, nell’ipotesi che l’urto sia elastico chiaramente. Qui il caso è analogo, dato che i due punti materiali una volta che si urtano nel punto in comune delle due guide tornano indietro e non proseguono oltre il punto in comune delle guide. Pertanto abbiamo

    \[\boxcolorato{fisica}{T=\dfrac{2\pi}{2\sin \theta} \sqrt{\dfrac{m}{2k}}=\dfrac{\pi}{\sin \theta} \sqrt{\dfrac{m}{2k}}.}\]


 
 

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    Un po’ di storia sulle leggi della dinamica

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    Le leggi della dinamica rappresentano uno dei pilastri fondamentali della fisica classica. Formulate da Isaac Newton nel XVII secolo, queste leggi hanno rivoluzionato la nostra comprensione del movimento e delle forze, gettando le basi per la fisica moderna. La storia delle leggi della dinamica inizia con le prime intuizioni pre-scientifiche e arriva fino alle scoperte rivoluzionarie di Newton, estendendosi al loro impatto duraturo sulla scienza e sulla tecnologia contemporanea.

    Prima di Newton, la comprensione del movimento e delle forze era dominata dalle idee di Aristotele, un filosofo greco del IV secolo a.C. Aristotele credeva che tutti i corpi avessero un “luogo naturale” e che si muovessero solo quando una forza esterna agiva su di essi. Questa visione, conosciuta come “fisica aristotelica”, affermava che un oggetto in movimento si fermava automaticamente una volta cessata la forza che lo spingeva. Questa concezione aristotelica rimase predominante per secoli, influenzando profondamente la filosofia naturale. Tuttavia, presentava limitazioni significative, specialmente nella spiegazione di fenomeni come il moto dei pianeti o il comportamento dei proiettili. Nonostante i suoi limiti, la fisica aristotelica gettò le basi per lo sviluppo successivo delle leggi della dinamica.

    Un punto di svolta nella comprensione del movimento fu segnato da Galileo Galilei, un matematico e fisico italiano del XVI secolo. Galileo sfidò molte delle idee di Aristotele, introducendo concetti che sarebbero stati fondamentali per la formulazione delle leggi della dinamica. Galileo fu il primo a dimostrare che la velocità di caduta di un oggetto non dipende dalla sua massa, ma dal tempo trascorso. Egli introdusse il concetto di inerzia, l’idea che un corpo in movimento rimane in movimento a meno che una forza esterna non intervenga. Questo principio di inerzia costituì la base della Prima legge di Newton, una delle tre leggi della dinamica che avrebbero rivoluzionato la fisica. Oltre a queste scoperte, Galileo sviluppò la metodologia scientifica basata sull’osservazione e l’esperimento, ponendo le basi per la fisica moderna. Le sue idee furono cruciali per la successiva formulazione delle leggi della dinamica da parte di Newton.

    Isaac Newton, uno dei più grandi scienziati della storia, formulò le leggi della dinamica nel suo capolavoro “Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica”, pubblicato nel 1687. Le tre leggi di Newton descrivono il comportamento del movimento e delle forze in modo preciso e matematico, fornendo una base solida per la meccanica classica. La Prima legge della dinamica, nota anche come legge dell’inerzia, afferma che un corpo in stato di quiete o di moto rettilineo uniforme rimane in tale stato finché non agisce su di esso una forza esterna. Questa legge formalizza il concetto introdotto da Galileo, stabilendo che il movimento non richiede una forza continua per essere mantenuto, ma solo per essere alterato. La legge dell’inerzia fu rivoluzionaria perché sfidava direttamente la fisica aristotelica, dimostrando che il moto non è il risultato di un’azione continua ma di una condizione naturale degli oggetti.

    La Seconda legge della dinamica, forse la più famosa delle tre, stabilisce che la forza che agisce su un corpo è direttamente proporzionale alla sua massa e alla sua accelerazione, secondo la formula F = ma. Questa legge descrive come le forze influenzano il movimento degli oggetti e fornisce una base per calcolare le forze necessarie per muovere o fermare un oggetto. Questa legge è stata fondamentale per lo sviluppo della meccanica classica, permettendo di comprendere e prevedere con precisione il comportamento degli oggetti sotto l’influenza di forze diverse. È grazie a questa legge che possiamo spiegare fenomeni quotidiani, come la caduta di un oggetto o il lancio di un proiettile, con una precisione matematica.

    La Terza legge della dinamica è forse la più intuitiva: afferma che per ogni azione esiste una reazione uguale e contraria. Questo significa che quando un oggetto esercita una forza su un altro, il secondo oggetto esercita una forza uguale e opposta sul primo. Questa legge è evidente in molti fenomeni quotidiani, come il rimbalzo di una palla o il funzionamento di un razzo. La comprensione di questa legge è essenziale per l’ingegneria e la tecnologia moderne, poiché spiega come le forze interagiscono in sistemi complessi.

    Le leggi della dinamica di Newton hanno avuto un impatto profondo e duraturo sulla fisica classica. Prima della loro formulazione, la comprensione del movimento e delle forze era frammentaria e spesso basata su osservazioni qualitative piuttosto che su principi matematici. Le leggi di Newton hanno fornito una struttura coerente e matematica per descrivere il comportamento degli oggetti in movimento, permettendo ai fisici di fare previsioni accurate e di sviluppare nuove tecnologie. Grazie alle leggi della dinamica, è stato possibile sviluppare la meccanica celeste, che spiega il movimento dei pianeti e delle stelle. Queste leggi hanno permesso di calcolare con precisione le orbite dei corpi celesti, confermando le teorie di Keplero e contribuendo alla comprensione dell’universo. Le leggi della dinamica hanno anche gettato le basi per l’ingegneria moderna, permettendo la progettazione di macchine, edifici e veicoli con una comprensione precisa delle forze in gioco. Senza le leggi di Newton, molte delle tecnologie che diamo per scontate oggi, come gli aerei, le automobili e i ponti, non sarebbero possibili.

    Con l’avvento della fisica moderna, alcune delle previsioni delle leggi della dinamica di Newton sono state riviste e ampliate. In particolare, la teoria della relatività di Einstein ha dimostrato che le leggi di Newton non sono sufficienti per descrivere il movimento a velocità prossime a quella della luce o in campi gravitazionali molto forti. Tuttavia, le leggi della dinamica rimangono valide e utili nella maggior parte delle situazioni quotidiane e continuano a essere insegnate come parte fondamentale della fisica.

     
     

    Ulteriori risorse didattiche per la fisica

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    • Physics Stack Exchange – Parte della rete Stack Exchange, questo sito è un forum di domande e risposte specificamente dedicato alla fisica. È un’ottima risorsa per discutere e risolvere problemi di fisica a tutti i livelli, dall’elementare all’avanzato.
    • ArXiv – ArXiv è un archivio di preprint per articoli di ricerca in fisica (e in altre discipline scientifiche). Gli articoli non sono peer-reviewed al momento della pubblicazione su ArXiv, ma rappresentano un’importante risorsa per rimanere aggiornati sugli sviluppi più recenti nella ricerca fisica.
    • Phys.org – Questo sito offre notizie e aggiornamenti su una vasta gamma di argomenti scientifici, con un focus particolare sulla fisica. È una risorsa utile per rimanere aggiornati sugli ultimi sviluppi nella ricerca e nelle scoperte fisiche.
    • Physics Forums – Una delle comunità online più grandi per la fisica e la scienza in generale. Offre discussioni su vari argomenti di fisica, aiuto con i compiti, e discussioni su articoli di ricerca.
    • The Feynman Lectures on Physics – Questo sito offre accesso gratuito alla famosa serie di lezioni di fisica di Richard Feynman, un’ottima risorsa per studenti di fisica di tutti i livelli.
    • American Physical Society (APS) – La APS è una delle organizzazioni più importanti per i fisici. Il sito offre accesso a pubblicazioni, conferenze, risorse educative e aggiornamenti sulle novità del mondo della fisica.
    • Institute of Physics (IOP) – L’IOP è un’importante organizzazione professionale per i fisici. Il sito offre risorse per l’apprendimento, accesso a riviste scientifiche, notizie e informazioni su eventi e conferenze nel mondo della fisica.
    • Physics World – Physics World è una rivista online che offre notizie, articoli, interviste e approfondimenti su vari argomenti di fisica. È una risorsa preziosa per chiunque sia interessato agli sviluppi contemporanei nella fisica.
    • Quanta Magazine (sezione Fisica) – Quanta Magazine è una pubblicazione online che copre notizie e articoli di approfondimento su matematica e scienze. La sezione fisica è particolarmente interessante per i contenuti di alta qualità e le spiegazioni approfondite.
    • Perimeter Institute – Il Perimeter Institute è un importante centro di ricerca in fisica teorica. Il sito offre accesso a conferenze, workshop e materiale educativo, ed è un’ottima risorsa per chi è interessato alla fisica teorica avanzata.






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