1 2.2 Le Forze e i Principi della Dinamica. 2 IL CONCETTO DI FORZA Abbiamo chiaro il concetto di...
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2.2 Le Forze e i Principi della Dinamica
2
IL CONCETTO DI FORZA
Abbiamo chiaro il concetto di forza dall'esperienza : colpire una palla, tirare una fune, ... sono esempi in cui il concetto di forza è legato al
risultato dell'attività muscolare. Un treno, un'auto e un aereo si muovono invece sotto la spinta di una
forza esercitata dalla combustione di vari carburanti.Le forze possono avere diversi effetti:
- possono produrre effetti dinamici, cioè mettere in moto, fermare o deviare un corpo
- possono produrre effetti statici, cioè mantenere in posizione di equilibrio vari corpi appoggiati o incernierati.
- possono deformare i corpi, se questi sono vincolati, cioè non possono muoversi liberamente
Non sempre le forze si manifestano attraverso un contatto fra corpi, (corpi che cadono per effetto della forza di gravità, oppure pensiamo a pezzi di ferro attratti da una calamita). In questi casi, in cui non vi è
contatto, si parla di forze a distanza.
Una forza è un agente esterno in grado di Una forza è un agente esterno in grado di modificare lo stato di moto o di quiete di un modificare lo stato di moto o di quiete di un
corpocorpo
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PRIMO PRINCIPIO DELLA DINAMICA (o prima legge di Newton)
Qualsiasi corpo sta fermo o si muove di moto rettilineo ed uniforme se su di esso non agiscono forze, oppure se le forze che agiscono hanno risultante nulla.
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A B C D
A, B, C e D si muovono di moto rettilineo e uniforme con la stessa velocità
Ad un certo istante di tempo sui quattro corpi inizia ad agire la stessa forza, F. Lo stato di moto dei corpi sarà modificato in maniera differente (nel caso in cui l’azione di F muta il moto rettilinei ed uniforme in un moto uniformemente accelerato, le quattro accelerazioni saranno diverse l’una dall’altra). PERCHE’?PERCHE’?
LA MASSA INERZIALE
Se tentiamo di cambiare lo stato di moto o di quiete di un corpo, il corpo cerca di resistere a questo mutamento. Si chiama inerzia la proprietà della materia di resistere alle forze. La massa è la grandezza fisica che ci consente di quantificare l'inerzia di un corpo. La massa non va confusa con il peso (che, come vedremo, è una forza); essa è una proprietà intrinseca di ogni corpo ed è indipendente da tutto ciò che lo circonda.
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Massa: unità di misuraMassa: unità di misura
Unità di misura: [SI] kg
[CGS] g
Fattore di ragguaglio1 kg = 1000 g
1050 _
1040 _
1030 _
1020 _
1010 _
1 _
10-10 _
Universo
Terra ≈ 5,98 1024 kg
kg
masse nell’universo
10-20 _
10-30 _Elettrone ≈ 9,11 10-31 kg
Protone ≈ 1,67 10-27 kg
Uomo ≈ 70 kg
Mol. di DNA ≈10-17 kg
Sole ≈ 1,98 1030 kg
Via Lattea ≈ 2,32 1041
kg
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Quantità di motoQuantità di moto
Grandezza vettoriale che esprime il prodotto della massa di un corpo (grandezza scalare) per la sua velocità (grandezza vettoriale)
In un intervallo di tempo t, la variazione della quantità di moto è data da:
Considerando sistemi a massa costante (m=0):
P
p è un vettore che ha stessa direzione e verso di v e modulo pari al modulo di v moltiplicato per m
v
m
vmp
vmvmp
vmvmp
x
amF
Definizione operativa di ForzaDefinizione operativa di Forza
Una forza F applicata ad un corpo di massa m è proporzionale alla variazione della quantità di moto, Δp, divisa per il tempo Δ t
tv
limmtp
limF0t0t
Ricordando che: atv
lim0t
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Primo Principio della dinamica (principio di inerzia)Primo Principio della dinamica (principio di inerzia)
1.1. Se Fris=0 a=0
Un corpo non soggetto a forze esterne permane nello stato di quiete o di moto rettilineo uniforme
Il primo principio non è banalmente un caso particolare del secondo: il primo definisce l'ambito in cui deve considerarsi valido
il secondo, ovvero nei sistemi inerziali, in cui operano esclusivamente forze reali (azione o interazione tra due corpi). I
principi, in questa formulazione e senza l'ausilio di trasformazioni, non valgono nei sistemi accelerati (non inerziali) come i sistemi
rotanti, perché in questi entrano in gioco forze apparenti (ad es. la forza centrifuga).
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Secondo Principio della dinamicaSecondo Principio della dinamica
Unità di misura:Unità di misura:[SI] newton (N) = m.kg.s-
2
[CGS] dina = cm.g.s-2
Fattore di ragguaglioFattore di ragguaglio 1 N = 1 kg.m.s-2 =(103g)(102 cm) s-2= 105
dine
DimensioniDimensioni [F] =[L][M][T-2]
2.2.
Fx=m ax
Fy=m ay
Fz=m az1 equazione vettoriale
3 equazioni scalari
amFRIS
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Terzo Principio della dinamica (principio di azione e Terzo Principio della dinamica (principio di azione e reazione)reazione)
Enunciato: quando un corpo A esercita una forza su un corpo B,
anche B esercita una forza su A; le due forze hanno stesso
modulo(intensità), stessa direzione, ma versi opposti.
3.3. FAB= - FBA
A BFAB FBA
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Esempio:Un corpo di massa m è soggetto alle forze F1, F2 e
F3 come in figura. Sapendo che F1=F2=2N, calcolare l’angolo e l’intensità della forza F3 affinchè il corpo sia in quiete.
m
F1
F2F3
12
mgr
MmGF
2
M m
Forza gravitazionaleForza gravitazionale
2
12
2411
2ms82,9
10628,401098,5
10673,6rM
Gg
G = 6,673 x 10-11 Nm2kg-2 (m3kg-1s-2)
Costante di gravitazione universale
Reazioni Reazioni vincolarivincolari
y
xmg
R
mmg+R=m
a=0R=mg
Vincolo ≡ qualunque causa capace di limitare il moto
Reazione vincolare normale: reazione offerta al corpo dal vincolo. E’ sempre normale al vincolo indipendentemente dalla geometria del vincolo
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2) Su un blocco di ferro di massa m=30 kg appoggiato su una superficie liscia e priva di attrito, agisce la forza F (vedi figura sottostante). Se il
blocco si muove con accelerazione costante a=10 m/s2, si calcoli l’angolo che la forza F forma con l’orizzontale sapendo che la reazione vincolare normale offerta dal piano è pari a R=500 N.
piano lisciom
F
2.34ma
mgRarctg
68.0ma
mgRtg
tgmaNmgcosma
F
cosFmamaF:y
cosFmamaF:x
yy
xx
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Forza di attrito
Si oppone al moto ed è proporzionale al modulo della reazione vincolare normale:
Fa=R. = coefficiente di attrito
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R
mgx
y
mF+mg+R+Fa=ma
L’intensità delle reazioni vincolari è definita dalle forze cui
si oppongono.
FFa
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F’a=(mg-Fsina)Fa=(mg+Fsina)
Quesito: Un bambino puo scegliere tra spingere oppure tirare una slitta a velocità costante, come illustrato. Se l’angolo è lo stesso in entrambi i casi, è necessaria una
forza minore per spingere oppure per tirare?
a aF F
Forza d’attritoForza d’attrito
Si oppongono al moto e sono proporzionali alle reazioni vincolari: Fa=R.
= coefficiente di attrito
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Apparecchio di trazione per il trattamento di una Apparecchio di trazione per il trattamento di una lesione a carico di un piede lesione a carico di un piede
All’equilibrio la risultante delle forze deve essere uguale a zero:
F+T1+T2=0
Proiettiamo il II principio della Dinamica in un riferimento
cartesiano che abbia un asse parallelo alla direzione lungo la
quale si esercita la forza muscolare
F=T1cosφ+T2cosφ=2Tcosφ
Ma se il filo è inestensibile:T=MgM=F/
(2gcosφ)
F
T1
T2
M
φ
φ
Obiettivo: Determinare il valore della massa M in modo che bilanci esattamente la forza muscolare F
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Soluzione:
. .
Mg
RMa
Fa
Esempio: Viaggiando alla velocità di 58 km/h il guidatore di un’automobile blocca repentinamente le ruote premendo a fondo il pedale dei freni. La forza di attrito dinamico fra gli pneumatici e la strada è 0,72Mg. Di quanto slitta l’automobile prima di arrestarsi? Si trascurino gli effetti della resistenza dell’aria.
.0,72gM
0,72MgaMaFa
m.,,,
,2a
vs2asvv
2i2
i2f 418
8972026358
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Esempio: La massa m=2 kg di un pendolo viene lasciata andare dalla posizione A, quando il filo è tenuto in posizione orizzontale. Se il filo ha lunghezza L=50 cm, qual’è la tensione del filo quando la massa raggiunge il punto più basso B, se la velocità della massa in quel punto è di 3,13 m/s? (Si consideri il filo inestensibile e di massa trascurabile)
m
B
A
SoluzioneLe forze in gioco sono la forza di gravità e la forza di tensione del filo:
mg
N8,58mg32mgmgL
vmmgTmamgT
2
Bc
mg
T
agT mm
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Esempio: La massa m di un pendolo viene tenuta in equilibrio nella posizione A da una forza che forma un angolo di 30° con l’orizzontale di modulo F=10 N. Quanto vale la massa ? Quanto vale in questa posizione la tensione del filo (TA)? E quanto valgono la tensione del filo e il modulo della forza tiene quando la massa è in equilibrio nella posizione B in cui il filo forma un angolo di 45° con la verticale? (Si consideri il filo inestensibile e di massa trascurabile)Dal II Principio della dinamica:
Proiettando sugli assi del sistema di riferimento introdotto (vedi figura, caso A) si ha:
amF
X: Fcos(30°)-TA=0
Y: Fsin(30°)-mg=0
X: TA= Fcos(30°)=8.5 N
Y: m=Fsin(30°)/g=0.5 kgX: Fcos(30°)-TBcos(45°)=0
Y: Fsin(30°)+TBsin(45°)-mg=0
X: TB= Fcos(30°)/cos(45°)
Y: TB =(mg-Fsin(30°))/sin(45°)
m
B
A
mg
mg
T mB
mg
F
F30°
30°x
x
y
y45°
Analogamente nel caso B si ha:
Fcos(30°)/cos(45°)=(mg-Fsin(30°))/sin(45°)
Fcos(30°)/cos(45°)+Fsin(30°)/cos(45°)=mg/sin(45°)
F=(mgcos(45°)/sin(45°))/(cos30°+sin(30°))=mg/(cos30°+sin(30°))=3.6 N
TB=Fcos(30°)/cos(45°)=2.2 N
Da cui si ha:
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Esempio: Un blocco di massa M è trascinato per 2 m lungo un piano inclinato di 30° rispetto all’orizzontale da una forza orizzontale di modulo F = 150 N. Se il modulo della reazione vincolare normale offerta dal piano vale R=80 N calcolare: (a) il modulo della forza di attrito e la massa del corpo (b) affinchè quest’ultimo si muova con velocità costante pari a v=1 m/s. Ci sono dati ridondanti? Se sì, quali?
X: -FA-mgsin(30°)+Fcos(30°)=max=0
Y: R-mgcos(30°)-Fsin(30°)=may=0
X: FA=Fcos(30°)-mgsin(30°)=127.5 N (a)
Y: m= (R-Fsin(30°))/g=0.5 kg (b)
da cui:
lo spostamento e Il modulo della velocità sono dati ridondanti
F
P
Fa
R
30°
x
y
Dal II Principio della dinamica:
Proiettando sugli assi del sistema di riferimento introdotto (vedi figura) si ha:
amF
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Esempio:Esempio: Un pescatore sta pescando da un ponte usando una lenza provata a 44,5 N. (In altre parole, la lenza è capace di resistere a una forza massima, Tmax, di 44,5 N senza rompersi.) Quanto pesa il pesce piu pesante che puo essere tirato su verticalmente, a) quando la lenza viene avvolta sul mulinello a velocità costante? b) quando alla lenza viene impressa un’accelerazione verticale di 2,0 m/s2? Soluzione:
ma
mg
T
b)
37N9,83,77gm
3,77kg44,5/11,8ag/Tm
TagmamTgm
amgmT
max
maxmax
maxmaxmaxmaxmax
maxmaxmax
N,g mTg m maxmaxmax 5440 a)