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Esercizio leggi della dinamica 26

Dinamica del punto materiale Leggi di Newton in meccanica classica

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Esercizio leggi della dinamica 26

L’esercizio 26 sulle leggi della dinamica è il ventiseiesimo 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 25 ed è il precedente di Esercizio leggi della dinamica 27. Questo esercizio è progettato per studenti che frequentano un corso di Fisica 1, indirizzato a chi studia ingegneria, fisica o matematica.

 

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Testo leggi della dinamica 26

Esercizio 26 (\bigstar\bigstar\bigstar\largewhitestar\largewhitestar). Un punto materiale di massa m è situato sul piano di una slitta, assimilabile a un parallelepipedo di massa M (si veda la figura 1) che si sta muovendo con una velocità \vec{v}_0 su un piano orizzontale liscio e senza attrito. La velocità \vec{v}_0 è parallela al piano orizzontale, come in figura 1. Fra punto materiale e piano della slitta c’è attrito, con coefficiente di attrito statico \mu_s. Ad un certo istante la slitta colpisce una molla ideale orizzontale di costante elastica k, fissata ad un muro verticale che fa decelerare il sistema fino a fermarlo. Determinare il massimo valore di k affinché il punto materiale m resti fermo rispetto alla slitta durante la decelerazione. Si ipotizzi che nell’urto con la molla sia elastico.

 

 

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Svolgimento.

Scegliamo un sistema di riferimento fisso Oxy, con l’origine O coincidente con la posizione a riposo della molla, come nella figura 2.

 

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Si consideri l’istante di tempo in cui la slitta ha raggiunto la molla. In tale istante la molla verrà compressa e di conseguenza sulla massa M, per via della molla, verrà applicata una forza \vec{F}_M nella direzione negativa dell’asse delle x, che poterà la slitta a fermarsi. Su m è applicata la forza di attrito statico \vec{f}_s, orientata nel verso negativo delle x perché m deve decelerare. Sul corpo M sarà applicata, oltre che la forza della molla, la forza -\vec{f}_s per il terzo principio della dinamica. Inoltre, sempre sul corpo m è applicata la forza m\vec{g} e la reazione vincolare \vec{N}, orientata rispettivamente nel verso negativo e positivo dell’asse delle y. Nella figura 3 sono rappresentate tutte le forze precedentemente definite.

 

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Per la seconda legge della dinamica, per m ed M, si ha rispettivamente

(1)   \begin{equation*} \begin{cases} -\vert \vec{F}_{\text{Molla}} \vert +f_s=M\ddot{x}\\ -f_s=m\ddot{x}\\ N=mg. \end{cases} \end{equation*}

Denotando x la posizione del sistema nel generico istante t>0, il sistema (1) diventa

(2)   \begin{equation*} \begin{cases} -kx +f_s=M\ddot{x}\\ -f_s=m\ddot{x}\\ N=mg. \end{cases} \end{equation*}

Sommando ambo i membri delle equazioni (2)_1 e (2)_2, si ottiene

(3)   \begin{equation*} -kx=\ddot{x}\left(m+M\right), \end{equation*}

cioè

(4)   \begin{equation*} \ddot{x}=-\dfrac{kx}{m+M}. \end{equation*}

Sostituendo \ddot{x} (calcolata nella precedente equazione) nell’equazione (1)_2, si trova

(5)   \begin{equation*} f_s=\dfrac{kmx}{m+M}. \end{equation*}

Il corpo m per rimanere in equilibrio rispetto ad M deve valere

(6)   \begin{equation*} f_s\leq N\mu_s. \end{equation*}

Sostituendo f_s (calcolata nell’equazione (5)) e N (calcolata nell’equazione (1)_1) nella disequazione (6), si ottiene

(7)   \begin{equation*} \dfrac{kmx}{m+M}\leq mg\mu_s,\quad \text{per $x\geq 0$.} \end{equation*}

Determiniamo la legge oraria x(t) del moto delle due masse; la legge oraria sarà la stessa per m e M perché le due masse si muovono all’unanime rispetto al sistema di riferimento Oxy. L’equazione (4) è l’equazione di un oscillatore armonico semplice, pertanto la sua soluzione è del tipo

(8)   \begin{equation*} x(t)=A\sin\left(\omega t +\phi\right), \end{equation*}

dove A, \omega e \phi sono rispettivamente l’ampiezza, la pulsazione e la fase iniziale. In particolare, dall’equazione (4), si deduce che

(9)   \begin{equation*} \omega=\sqrt{\dfrac{k}{m+M}}. \end{equation*}

Dalla (8), abbiamo

(10)   \begin{equation*} \dot{x}(t)=A\omega \cos \left(\omega t +\phi\right). \end{equation*}

Dalla (8) e (10), imponendo le condizioni iniziali, si giunge ad

(11)   \begin{equation*} \begin{cases} x(0)=0=A\sin \phi\\ \dot{x}(0)=v_0=A\omega\cos \phi, \end{cases} \end{equation*}

da cui

(12)   \begin{equation*} \begin{cases} \phi=0\,\text{rad}\\[10pt] A=\dfrac{v_0}{\omega}. \end{cases} \end{equation*}

Sostituendo i valori ottenuti nel sistema (12) di \phi ed A in (8), si ottiene

(13)   \begin{equation*} x(t)=\dfrac{v_0}{\omega}\sin\left(\omega t\right). \end{equation*}

Dalle legge oraria (13) si deduce che la x massima è

(14)   \begin{equation*} x_{\max}=\dfrac{v_0}{\omega}. \end{equation*}

Sostituendo x_{\max} nella disequazione (7) è possibile determinare k_{\max}; infatti, abbiamo

(15)   \begin{equation*} \dfrac{km}{m+M}\left(\dfrac{v_0}{\omega}\right)\leq mg\mu_s, \end{equation*}

o anche

(16)   \begin{equation*} \dfrac{km}{m+M}\left(\dfrac{v_0}{\sqrt{\dfrac{k}{m+M}}}\right)\leq mg\mu_s, \end{equation*}

oppure

(17)   \begin{equation*} \dfrac{kmv_0}{m+M}\sqrt{\dfrac{m+M}{k}}\leq mg\mu_s, \end{equation*}

conseguentemente

(18)   \begin{equation*} \dfrac{k^2m^2v_0^2\left(m+M\right)}{k\left(m+M\right)^2}\leq m^2g^2\mu^2_s, \end{equation*}

ovvero

(19)   \begin{equation*} \dfrac{kv_0^2}{m+M}\leq g^2\mu^2_s, \end{equation*}

oppure

(20)   \begin{equation*} k\leq\dfrac{ g^2\mu^2_s\left(m+M\right)}{v_0^2}. \end{equation*}

Dalla disequazione (20) deduciamo che k massimo è

    \[\boxcolorato{fisica}{ k_{\max}=\dfrac{ g^2\mu^2_s\left(m+M\right)}{v_0^2}.}\]

 

Fonte.

esame dell’università di Tor Vergata, corso ingegneria, data 03/07/2012.

 


 
 

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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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