1. 2 La cinematica Velocità Accelerazione Il moto del proiettile Salto verticale La lezione di...

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1

Corso di Fisica-

CinematicaProf. Massimo Masera

Corso di Laurea in Chimica e Tecnologia FarmaceuticheAnno Accademico 2011-2012

dalle lezioni del prof. Roberto CirioCorso di Laurea in Medicina e Chirurgia

2

La cinematica

Velocità

Accelerazione

Il moto del proiettile

Salto verticale

La lezione di oggi

3

Meccanica e cinematica Meccanica: studio del moto gli oggetti

forze esterne dimensioni massa distribuzione della massa

Cinematica (dal greco kinema, moto):

studio del moto indipendentemente da cosa lo ha causato unidimensionale: moto lungo una linea retta moto uniforme e accelerato

4

Posizione, cammino, spostamento

Velocità, accelerazione

Il moto rettilineo uniforme in 2D

Il generico moto in 2D

Il moto del proiettile

5

Sistema di coordinate cartesiane

origine

0

verso

direzione

unità di misura

m1 2 3 4 5 6 7 8 9

scala

6

Sistema di coordinate cartesiane

0 m1 2 3 4 5 6 7 8 9

xfinale è maggiore di xiniziale

xfinale > xiniziale

xf > xi

7

Sistema di coordinate cartesiane

xfinale è minore di xiniziale

xfinale < xiniziale

xf < xi

0m 9 8 7 6 5 4 3 2 1

8

Posizione

La persona in figura è alla posizione x = 3 m

0m 9 8 7 6 5 4 3 2 1

9

Cammino

CAMMINO (quantità sempre positiva)

lunghezza complessiva del tragitto

Casa amico Casa tua Drogheria

Cammino = 2.1 km + 4.3 km = 6.4 km

10

Spostamento

SPOSTAMENTO (positivo o negativo)

Cambiamento di posizione = (Posizione finale – Posizione iniziale)

Dx = xfinale – xiniziale

Dx = xf – xi

11

EsercizioUn giocatore di scacchi esegue la sua mossa,

spostando la regina di 4 caselle verso nord e di 2

caselle verso ovest (lato casella = 2.5 cm).

Determinare il cammino totale

percorso dalla regina e lo spostamento.

N

E

S

W

cammino totale = 6 caselle

= 6 x 2.5 cm = 15 cmspostamento = √ 16 + 4 = 4.5 caselle = 4.5 x 2.5 cm = 11.25 cm

12

Posizione, cammino, spostamento

Velocità, accelerazione

Il moto rettilineo uniforme in 2D

Il generico moto in 2D

Il moto del proiettile

13

•Velocità media

Unità di misura: m/s

Moto rettilineo. Legge oraria

• Descrive la posizione di un oggetto in funzione del tempo

• A fianco è data una rappresentazione grafica di un esempio di legge oraria

• Questa rappresentazione è utile per introdurre il concetto di velocità

12

12

tt

xx

t

xv

14

Velocità media

La velocità è una grandezza vettoriale.

è la pendenza della retta che unisce due punti sulla curva x(t)

v

m/s23

6

:esempioNell'

s

mv

15

Velocità media

Dimensioni: [L T-1]Unità di misura (Sistema Internazionale): m

s-1

NOTATempo impiegato è sempre > 0Spostamento può essere < > 0

Velocità media può essere < > 0

Moto rettilineo lungo x

16

Velocità istantanea

Il corpo varia la sua posizione in modo continuo da un punto al successivo, percorrendo in “piccoli” intervalli

di tempo “piccole” traiettorie.

17

Accelerazione media

if

if

inizialefinale

inizialefinalem t- t

v- v

t- t

v- v

t

v a

impiegato tempo

velocita' media oneaccelerazi ]T [L

[T]

]T [L 2--1

Unità di misura (Sistema Internazionale): m s-2

La interpreto come:

in 1 secondo, la velocità è variata di tot metri al secondo

18

Accelerazione istantanea

NOTAQuando parleremo di velocità e accelerazione, intenderemo SEMPRE velocità istantanea e accelerazione istantanea.

Se si tratta di velocità (accelerazione) media,

lo si deve indicare esplicitamente

costa at; v v 0

19

Le equazioni del moto uniformemente accelerato

at v v 0

a

t

v

t

x

t

v0

x0

a = cost

v aumenta linearmente

con il tempo

x aumenta con il quadrato del

tempo

tv xx 0

200 at

2

1 t v xx

at2/1v at vv1/2 v 000

20

Velocità vs. spazio

21

EsercizioUn bambino lancia dal balcone una pallina verso

l’alto, verticalmente, con velocità iniziale di 6 m/s.

Determinare:

l’altezza massima raggiunta dalla pallina

(spazio totale percorso dall’oggetto in salita)

il tempo impiegato dalla pallina per raggiungere la massima altezza

22

EsercizioSoluzione

Per determinare l’altezza massima raggiunta dalla pallina nel suo moto verticale, si prende in considerazione la legge oraria del moto uniformemente accelerato (con so = 0; a = -g = -9.8 m/s2 )

s = hmax = (6 m/s)2 / (2×9.8 m/s2) = 1.8 m

Il tempo impiegato dalla pallina a raggiungere l’altezza massima si ricava da:

v0

-g

23

Vettori posizione e spostamento

Vettore Posizione

ovvero

sono nel punto P1

P1

Vettore Spostamento

ovvero

vado da P1 a P2P1

P2

if r - r r

24

Vettore velocità

t

r vm

Dt è uno scalare

e sono parallelimv

r

t

rlim v

0t

La velocità istantanea è tangente alla traiettoria

in ogni istante

25

e sono paralleli...

Il vettore accelerazione

t

v a m

t

vlim a

0t

v

... ma ... cosa importantissima ... mentre segue il moto, in generale non lo segue l’accelerazione non è generalmente parallela alla velocità

a v

26

EsercizioUn camion si muove di moto rettilineo uniforme

percorrendo una distanza pari a 110 km in 57 minuti.

Determinare la velocità media del camion.

spazio percorso

Dx = 110 km

tempo impiegato

Dt = 57 min

= (57 / 60) = 0.95 h

Soluzione

vmedia = Dx / Dt

= 110 km / 0.95 h

= 116 km/h

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Posizione, cammino, spostamento

Velocità, accelerazione

Il moto rettilineo uniforme in 2D

Il generico moto in 2D

Il moto del proiettile

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Il moto in due dimensioni

e.g.: il moto del proiettile

Si applica a qualunque corpo sottoposto solo alla forza gravitazionale (forza peso) accelerazione costante

Proiettile Generico corpo

Il segreto:

Applicare le equazioni del moto unidimensionale

lungo i due assi cartesiani

29

Moto rettilineo uniforme in 2D

30

Moto rettilineo uniforme in 2D

O

31

Moto rettilineo uniforme in 2D

O

32

Moto rettilineo uniforme in 2D

O

A

33

Moto rettilineo uniforme in 2D

A

O

costante v0

34

Moto rettilineo uniforme in 2D

35

Moto rettilineo uniforme in 2D

36

Moto rettilineo uniforme in 2D

-100 ms 0.26 costante v v

s 5.0 t Condizioni al contorno

m 1.3 (5.0s))ms (0.26 t v d -10

m 1.2 )25 (cosm) (1.3 θ cos dx 0

m 0.55 )25(sen m) (1.3 θsen dy 0

Metodo ‘1’

37

-10-100x ms 0.24 )25 (cos)ms (0.26 θ cos v v

-10-100y ms 0.11 )25(sen )ms (0.26 θsen v v

m 1.2 s) (5)ms (0.24 t vx -10x

m 0.55 s) (5)ms (0.11 t vy -10y

-100 ms 0.26 costante v v

s 5.0 t

Moto rettilineo uniforme

in 2D

Metodo ‘2’

Condizioni al contorno

38

Moto rettilineo uniforme in 2D:

equazioni generali

t v xx 0x0 t v yy 0y0

39

Composizione dei moti: esempio

Una persona sta scendendo dalla scaletta di un vagone merci. Il vagone si muove di moto rettilineo uniforme con v=0.70 m/s, e la persona scende con moto rettilineo uniforme con v=0.20 m/s.

Quali sono modulo e verso della velocità della persona rispetto al suolo? Vts

velocità del treno rispetto al suolo

Vpt velocità della persona

rispetto al treno

Vps velocità della persona rispetto al

suolo

q

40

EsercizioSoluzione

Si esprimono in componenti i vettori velocità del treno rispetto al suolo (vts) e della persona rispetto al treno (vpt):

Il vettore velocità della persona rispetto al suolo è quindi

Modulo e verso di questo vettore sono dati rispettivamente da …

m/s 0.70 v ps x,

m/s 0.20 - v ps y,

o1-

-1

ps x,

ps y, 16 - 0.2857) (-atan ms 0.70

ms 0.20-atan

v

vatan θ

1-222ps y,

2ps x,psps ms 73.0)20.0()70.0( v v v v

41

Posizione, cammino, spostamento

Velocità, accelerazione

Il moto rettilineo uniforme in 2D

Il generico moto in 2D

Il moto del proiettile

42

Genericomoto in 2D con

accelerazione costante

NotaQuesto sistema di equazioni

permette la soluzione di qualunque problema di

cinematica in 2 dimensioni (accelerazione costante)

43

Posizione, cammino, spostamento

Velocità, accelerazione

Il moto rettilineo uniforme in 2D

Il generico moto in 2D

Il moto del proiettile

44

Il moto di un proiettileUn proiettile è un qualunque corpo che, avendo

una certa velocità iniziale, sia sottoposto esclusivamente al campo gravitazionale

45

Moto di un proiettile Ipotesi:

trascuro la resistenza dell’aria (piuma vs. ferro) L’accelerazione di gravità è costante (quota) trascuro la rotazione della Terra

(missili intercontinentali)

Ho solo accelerazione di gravità

(sulla Terra g = 9.81 ms-2), diretta verso il basso

46

Moto di un proiettile

L’accelerazione è

uguale nei 2 casi

Relatività galileiana Caduta di un grave

47

Equazionidel moto di un

proiettile

t v xx 0x0

20y0 gt

2

1 t v yy

gt -v v 0yy 0xx v v

L’ipotesi è che:-2

y ms 9.81- g- a

48

Lancio ad angolo 0o

V0,x

tvx 0x2gt

2

1 h y

gt - v y 00xx v v v

49

La traiettoria è parabolica

tvx 0x

2gt 2

1 h y

bx ay 2parabola

50

La gittataDomanda:

Dove atterra un proiettile lanciato orizzontalmente,da altezza h e con velocità v0x?

Risposta:

Posso calcolare la distanza, imponendo la condizione che la yfin del proiettile sia 0

tvx 0x

2gt 2

1 h y

tvx 0x

2gt 2

1 h 0

tvx 0x

g

2h t

g

2hvx 0x

Gittata: (velocità scalare media) x (tempo di caduta)

51

n. 54, pag. M115 Walker

Un lanciatore del peso lancia il peso con una velocità iniziale dimodulo 3.50 m/s da un’altezza di 1.50 m dal suolo. Calcolare qual è lagittata del lancio se l’angolo è:

1) 20°

2) 30°

3) 40o

Esercizio

52

SoluzioneUn lanciatore del peso lancia il peso con una velocità iniziale di modulo3.5 m/s da un’altezza di 1.5 m dal suolo. Calcola qual è la gittata dellancio se l’angolo è:1) 20o

2) 30o

3) 40o

t) θ cos (v x 0

) t(g 1/2 - t ) θsen (v y 0 200

t) (3.29 x 0 1.5 - t ) (1.2 - ) t(g 1/2 2

s 0.69 t

Risolvo per q = 20o

Per q = 30o

Per q = 40o

s 0.76 t

s 0.83 t

53

Lancio con un angolo qualunque e x0=y0=0

t cosθvx 0

20 gt

2

1 t senθvy

gt -senθv v 0y

cosθv v 0x Gittata (y=0):

54

Lancio con un angolo qualunquee con posizione iniziale qualunque

gt -senθv v 0y

cosθv v 0x

Uguale al caso precedente,

ma ri-compaiono x0 e y0

t cosθ v xx 00

200 gt

2

1 t senθ v y y

55

Moto parabolico(Moto di un proiettile con e senza aria)

56

EsercizioUn delfino salta dall’acqua con v0 = 12 ms-1, verso l’allenatrice che è a

d = 5.50 m e h = 4.10 m. Nell’istante in cui il delfino esce dall’acqua, l’allenatrice lascia cadere una palla.

Dimostrare che il delfino riesce a prendere la palla.

57

EsercizioSoluzione

o36.7 m 5.50

m 4.10arctan

d

harctan θ

Comincio a calcolare q

gt -senθv v d 0dy

cosθv v d 0dx

t cosθ v x d 0d

2d 0d gt

2

1 t senθ v y

2 p gt

2

1 h y

58

EsercizioIl delfino raggiunge la distanza della palla quando

xd = d = 5.50m

gt -senθv v d 0dy cosθv v d 0dx

t cosθ v x d 0d

2d 0d gt

2

1 t senθ v y

2p gt

2

1 h y

gt -senθv v d 0dy cosθv v d 0dx

s 0.572 ms 9.62

m 5.50

cosθv

x t

1-d 0

d

2d 0d gt

2

1 t senθ v y

2p gt

2

1 h y

... e questo evento succede al tempo t = 0.572 s

59

EsercizioAl tempo t = 0.572 s il delfino si troverà ad

un’altezza...

gt -senθv v d 0dy cosθv v d 0dx

t cosθ v x d 0d

2d 0d gt

2

1 t senθ v y

2p gt

2

1 h y

gt -senθv v d 0dy

cosθv v d 0dx

t cosθ v x d 0d

2p gt

2

1 h y

m 2.50 m 1.60 - m 4.10 s) (0.572)ms (9.81 2

1 s) 0.572())sen(36.7ms (12.0 y 22-o1-

d

Al tempo t = 0.572 s il delfino si troverà ad un’altezza di 2.50 m

60

EsercizioAl tempo t = 0.572 s la palla si troverà ad

un’altezza...

gt -senθv v d 0dy

cosθv v d 0dx

t cosθ v x d 0d

2d 0d gt

2

1 t senθ v y

2p gt

2

1 h y

gt -senθv v d 0dy

cosθv v d 0dx

t cosθ v x d 0d

2d 0d gt

2

1 t senθ v y

m 2.5 m 1.60 - m 4.10 s) (0.572)s (9.81 2

1 m 4.10 y 22-

p

Al tempo t=0.572 s la palla si troverà ad un’altezza di 2.50 m

61

Moto circolare uniforme (1)

Un oggetto che si muove lungo una traiettoria circolare con velocità costante in modulo è in moto circolare uniforme.

Il vettore velocità varia continuamente la propria direzione.

Quindi l’oggetto è sottoposto ad accelerazione.

Il vettore accelerazione è diretto verso il centro della circonferenza accelerazione centripeta

Il tempo impiegato a descrivere una circonferenza di raggio r è detto periodo

62

Moto circolare uniforme (2)

xP

yP

Questi calcoli non sono presenti nei testi consigliati

63

Moto circolare uniforme (3)

Modulo dell’accelerazione centripeta

Questi calcoli non sono presenti nei testi consigliati

64

Moto circolare uniforme (4)

L’accelerazione è effettivamente diretta verso il centro della circonferenza. Infatti:

Quindi = il vettore accelerazione ha direzione radiale ed è rivolto al centro.

Questi calcoli non sono presenti nei testi consigliati

65

Accelerazione radiale e tangenziale

In generale, la velocità cambia per intensità e direzione lungo la traiettoria Vettore velocità: sempre tangente alla traiettoria Vettore accelerazione può essere espresso come:

Il raggio dei cerchi tratteggiati è il raggio di

curvatura della traiettoria nei punti A, B e C

con versore tangenziale versore normale alla traiettoria, diretto verso il centro di curvatura

Accelerazione tangenziale

Accelerazione radiale

La dimostrazione è nelle 2 slide seguenti (non c’è nel testo)

66

f

x

yC

Accelerazione radiale e tangenziale

Ora occorre dimostrare che df/dt=v/R ….

67

f

x

yC

f+df

df R

Accelerazione radiale e tangenziale

Nel tempo dt, il punto percorre un cammino elementare ds=vdt arco di circonferenza ds=Rdf

(1)

(2)

Quindi, sostituendo la (2) nell’espressione ricavata per l’accelerazione, si ottiene:

68

Moto armonico (1)

xP

yP

Nel moto circolare uniforme la velocità angolare è costante:

In un periodo T viene descritto un angolo giro, quindi

La proiezione del punto P sull’asse x (o y) descrive un moto armonico:

Questo argomento non è presente nei testi consigliati

69

Moto armonico (2)

70

Moto relativo unidimensionale

Se i due sistemi di riferimento si muovono a velocità costante l’uno rispetto all’altro, si ha:

L’accelerazione del punto materiale P è la stessa nei due sistemi di riferimento

71

Moto relativo bidimensionale

derivando rispetto al tempo, si trova:

Se è costante, allora:

72

Con la cinematica 2D risolvo il problema del moto di un proiettile

Prossima lezione: Le leggi di Newton

Riassumendo