Corsi di Laurea di Ingegneria Lezioni del corso di Meccanica razionale tenute da Stefano Siboni, a.a. 2013/2014 Argomenti del corso comuni a Fondamenti di meccanica razionale (6 CFU) Vettori di R3 , terne di riferimento cartesiane, vettori applicati. Geometria delle masse (baricentri, momenti e matrici d’inerzia). Cinematica, dinamica e statica del punto materiale libero e vincolato. Lavoro ed energia. Sistemi di punti materiali liberi, equazioni cardinali della dinamica e della statica. Cinematica, dinamica e statica dei sistemi rigidi. Cinematica, dinamica e statica dei sistemi vincolati (olonomi). Stabilità degli equilibri Argomenti specifici del corso (3 CFU) Complementi sulla statica dei sistemi reonomi. Complementi sulla teoria della stabilità. Teoria canonica (lineare) delle piccole oscillazioni. Introduzione alla meccanica dei continui classici (o di Cauchy). Orario di ricevimento: martedì h. 10:30 - 12:30 giovedì h. 14:30 - 16:30 Testi consigliati - di teoria: P. Biscari, T. Ruggeri, G. Saccomandi, M. Vianello, Meccanica razionale per l’ingegneria, Monduzzi Editore, Bologna G. Grioli, Lezioni di meccanica razionale, Ed. Cortina, Padova S. Siboni, Nozioni introduttive, punti materiali, sistemi di punti materiali liberi, Dispensa del corso S. Siboni, Sistemi rigidi, Dispensa del corso S. Siboni, Sistemi olonomi, Dispensa per i corsi di Fondamenti e di Meccanica Razionale S. Siboni, Stabilità e piccole oscillazioni, Dispensa per i corsi di Fondamenti e di Meccanica Razionale - di esercizi: T. Ruggeri, A. Muracchini, L. Seccia, Laboratorio di meccanica razionale : esercizi e temi d'esame, Ed. Esculapio, Bologna S. Siboni, Prove d'esame svolte di meccanica razionale, Dispensa del corso F. Bampi, M. Benati, A. Morro, Problemi di meccanica razionale, E.C.I.G., Genova Le dispense sono disponibili in copisteria e alla pagina web http://www.ing.unitn.it/siboni/ (in formato pdf). Modalità di esame Prova scritta: è divisa in due parti (geometria delle masse, vettori e vettori applicati, dinamica del punto materiale + meccanica dei sistemi olonomi) e consiste nello svolgimento di esercizi; è consentita la consultazione di libri e dispense di teoria del corso; è anche permesso l’uso di una tabella di matrici d’inerzia notevoli fornita come dispensa del corso; non è consentito l’uso di appunti, dispense di esercizi, eserciziari. Prova orale: consiste nel rispondere per iscritto a 3 quesiti di teoria (non esercizi) su argomenti del corso, con successiva discussione orale delle risposte fornite Prova in itinere: lunedì 14.04.2014 ore 14:00-17:00 Viene valutata come prima parte della prova scritta e consente di svolgere soltanto la seconda parte dello scritto.

lun 24.02.2014 (1 ora) 10:30-11:30 T2 Registrato su ESSE3 0. PRESENTAZIONE GENERALE DEL CORSO 1. NOZIONI FONDAMENTALI 1.1 Algebra dei vettori di R3 L’insieme E3 dei punti dello spazio fisico nella geometria elementare. Vettori di R3 come classi di equivalenza di segmenti di retta orientati. Modulo di un vettore, vettori unitari o versori. Somma vettoriale (regola del parallelogramma), vettore nullo, vettore opposto, differenza fra vettori. Prodotto di un vettore per uno scalare, relazione con l’opposto di un vettore, combinazioni lineari di vettori. Osservazione sul fatto che R3 munito delle operazioni di somma e prodotto per uno scalare è uno spazio vettoriale reale, richiamo della definizione di spazio vettoriale. Sistemi di 1,2,3 vettori linearmente dipendenti ed indipendenti, dimensione dello spazio e basi di vettori (sistemi di vettori non complanari), componenti, notazioni relative (e1, e2, e3 per i vettori di base e x1, x2, x3 per le componenti). ------------------------------------------------------------------------------------- lun 24.02.2014 (1 ora) 11:30-12:30 T2 Registrato su ESSE3 Prodotto scalare (richiamo della definizione), relazione fra modulo e prodotto scalare, vettori ortogonali, basi ortonormali di versori (con introduzione del simbolo di Kronecker), calcolo delle componenti di un vettore mediante il prodotto scalare con i versori di base, basi ortonormali destre (o levogire o sinistrorse) e sinistre (o destrorse). Prodotto vettoriale (richiamo della definizione). Prodotto misto (definizione e significato geometrico, criterio di indipendenza lineare di tre vettori). ------------------------------------------------------------------------------------- mar 25.02.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 Proprietà fondamentali delle operazioni sui vettori (richiamo, senza dimostrazioni); calcolo per componenti delle operazioni vettoriali (somma, prodotto per uno scalare, prodotto scalare, prodotto vettore, rilevanza della ortogonalità e della parità destra). Identità vettoriali notevoli: identità del prodotto misto, espressione del prodotto misto come determinante rispetto alle terne ortogonali destre; identità fondamentale del doppio prodotto vettoriale (o di Lagrange). Vettori spostamento fra punti assegnati A e B in E3: notazione B-A e utilità di questa nel calcolo formale di vettori opposti e somme vettoriali. Esempi vari sull’algebra vettoriale in R3 (verifica della lineare dipendenza/indipendenza di 2 o 3 vettori mediante il prodotto vettore ed il prodotto misto, calcolo di aree di parallelogrammi e di triangoli in termini di prodotti vettoriali dei lati). ------------------------------------------------------------------------------------ mar 25.02.2014 (1 ora) 16:30-17:30 T2 Registrato su ESSE3 1.2 Terne di riferimento cartesiane in R3 Terne di riferimento cartesiane nello spazio: origine, spazio vettoriale associato dei vettori posizione; il riferimento cartesiano come coppia origine/base dello spazio vettoriale associato; assi del riferimento cartesiano e relative notazioni; terne di riferimento cartesiane ortogonali, terne destre e sinistre; componenti di un vettore rispetto ad una terna cartesiana ortogonale (sono riferite alla base associata, per definizione); vettore posizione e coordinate di un punto rispetto ad una terna di riferimento cartesiana.

Cambiamento della terna di riferimento: matrice dei coseni direttori e sua interpretazione geometrica, relazione fra le coordinate di un punto P rispetto alla terna fissa e rispetto alla terna mobile (trasformazione di coordinate fra la terna fissa e quella mobile), forma matriciale equivalente della trasformazione di coordinate; nozione di ortogonalità della matrice dei coseni direttori e sue conseguenze (A-1=AT); valutazione euristica del numero di parametri liberi nella matrice dei coseni direttori Esempio notevole: caso di due terne con origini ed una coppia di assi omonimi coincidenti, ruotate arbitrariamente l’una rispetto all’altra: espressione dei versori della terna fissa in termini di quelli della terna mobile e calcolo esplicito della matrice dei coseni direttori; verifica diretta della proprietà di ortogonalità. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 26.02.2014 (1 ora) 14:30-15:30 BIB Registrato su ESSE3 1.3 Elementi di teoria dei vettori applicati di R3: Vettori applicati e sistemi di vettori applicati, risultante e momento risultante in un polo assegnato di un sistema di vettori applicati. Formula di cambiamento del polo per il momento risultante. Caso di risultante nullo. Coppia. Momento risultante di un sistema di vettori applicati rispetto ad un asse (momento assiale). Asse centrale di un sistema di vettori applicati di risultante non nullo. Centro di un sistema di vettori applicati paralleli di risultante non nullo. Caso delle forze peso: baricentro. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 26.02.2014 (1 ora) 15:30-16:30 BIB Registrato su ESSE3 2. GEOMETRIA DELLE MASSE 2.1 INTRODUZIONE GENERALE AI SISTEMI MATERIALI Punto materiale. Sistemi di punti materiali. Sistemi continui: curve materiali (modello di fili, travi, telai), superfici materiali (modello di piastre e gusci), solidi materiali (modello di pilastri e strutture 3D in genere). 2.2 BARICENTRI Definizione di baricentro per un sistema di punti materiali (richiamo). Definizione di baricentro per i sistemi continui (curve, superfici e solidi materiali): curva materiale, elemento infinitesimo di lunghezza, densità lineare di massa, elemento infinitesimo di massa, massa e baricentro della curva materiale; ------------------------------------------------------------------------------------- gio 27.02.2014 (1 ora) 8:30-9:30 T2 Registrato su ESSE3 superficie materiale, elemento infinitesimo di area, densità areale di massa, elemento infinitesimo di massa, massa e baricentro della superficie materiale, caso particolare delle superfici piane ubicate nel piano coordinato Oxy; solido materiale, elemento infinitesimo di volume, densità volumica di massa, elemento infinitesimo di massa, massa e baricentro del solido materiale. Proprietà del baricentro di un sistema di punti materiali. (1) Proprietà distributiva (con dimostrazione ed esempi illustrativi) (2) Proprietà dell’inviluppo convesso (verifica che se l’insieme di punti materiali è contenuto in un semispazio chiuso, anche il baricentro appartiene allo stesso semispazio; definizione di inviluppo convesso di un insieme, proprietà di convessità ed esempi, dimostrazione che il baricentro di un sistema di punti materiali appartiene sempre all’inviluppo convesso dello stesso insieme, quali che siano i valori delle masse); -------------------------------------------------------------------------------------

gio 27.02.2014 (1 ora) 9:30-10:30 T2 Registrato su ESSE3 (3) Proprietà legate alle simmetrie: definizione di centro, asse e piano di simmetria di un sistema di punti materiali e prova che il baricentro si colloca sul corrispondente elemento di simmetria; definizione di piano diametrale coniugato alla direzione di una retta data, prova che esso contiene il baricentro del sistema. Estensione delle proprietà precedenti ai sistemi continui (senza dimostrazione): ininfluenza delle intersezioni di misura nulla (segmenti e punti) fra le parti di un sistema continuo nell’applicazione del teorema distributivo; struttura dell’inviluppo convesso nel caso di insiemi continui (non identificabile con poligoni o poliedri, esempi notevoli di figure piane convesse e non convesse); confronto delle densità nei punti simmetrici per il riconoscimento degli elementi di simmetria (centri, assi, piani), problemi nell’applicare lo stesso criterio fra i punti coniugati per il riconoscimento dei piani diametrali (criterio valido per i solidi e le superfici materiali piane, ma non per le superfici generiche e per le curve materiali), esempi notevoli della lamina triangolare omogenea e del telaio triangolare omogeneo. ------------------------------------------------------------------------------------- lun 03.03.2014 (1 ora) 10:30-11:30 T2 Registrato su ESSE3 2.3 OPERATORE E MATRICE D’INERZIA Definizione formale dell’operatore d’inerzia, in un punto O di un sistema di punti materiali. Definizione di momento d’inerzia di un sistema rispetto ad un asse dato. Espressione del momento d’inerzia di un sistema rispetto ad un asse in termini dell’operatore d’inerzia in un punto dello stesso asse (per mezzo del versore n associato a tale asse). Proprietà dell’operatore d’inerzia in O, LO:

• linearità (enunciato), • simmetria (enunciato), • positività (enunciato), • additività (enunciato).

Prova formale delle proprietà dell’operatore d’inerzia. Conseguenze della linearità:

• matrice d’inerzia [LO] come matrice rappresentativa dell’operatore d’inerzia in O rispetto ad una base ortonormale e1, e2, e3, ovvero rispetto alla terna cartesiana ortogonale Oe1e2e3 o Ox1x2x3;

• espressione degli elementi della matrice come prodotto scalare --- Lαβ= eα . LO (eβ); • forma matriciale della relazione lineare fra un generico vettore u e la sua immagine

LO(u) attraverso l’operatore d’inerzia LO, rispetto alla base assegnata; • forma matriciale della relazione per il momento d’inerzia rispetto ad un asse On.

------------------------------------------------------------------------------------- lun 03.03.2014 (1 ora) 11:30-12:30 T2 Registrato su ESSE3 Conseguenze della simmetria e della positività:

• simmetria della matrice d’inerzia [LO]; • forma esplicita degli elementi di [LO] per un sistema di punti materiali, momenti e

prodotti d’inerzia, interpretazione geometrica e discussione dei segni degli elementi di matrice, estensione delle definizioni al caso continuo (curve e superfici materiali);

• carattere reale di tutti gli autovalori di LO (solo enunciato) e loro segno positivo dovuto alla positività (con richiamo della definizione di autovalore e autovettore e delle relative procedure di calcolo, definizione di equazione caratteristica);

• esistenza di una base ortonormale di autovettori (solo enunciato); • forma diagonale della matrice d’inerzia rispetto ad una base ortonormale di

autovettori. Nozione di asse, piano e terna principale d’inerzia rispetto ad O; momenti principali d’inerzia. Nozione di asse, piano e terna centrale d’inerzia; momenti centrali d’inerzia.

Individuazione delle terne principali d’inerzia mediante la soluzione del problema agli autovalori, ------------------------------------------------------------------------------------- mar 04.03.2014 (2 ore) 15:30-17:30 T2 Da non registrare su ESSE3 Lezione svolta da Giorgio Pavana. Esercizi sui baricentri di curve e superfici materiali. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 05.03.2014 (1 ora) 14:30-15:30 T2 Registrato su ESSE3 Individuazione di assi e piani principali (o centrali) d’inerzia per mezzo delle proprietà di simmetria (asse e piano di simmetria), semplificazione del problema agli autovalori. Forma assunta dalla matrice d’inerzia di una lamina rigida piana, con piano di giacitura π, rispetto ad una terna Oxyz il cui piano coordinato Oxy si identifichi con π. Teorema di Huygens-Steiner generalizzato: dimostrazione e applicazioni notevoli: (1) determinazione della matrice d'inerzia rispetto ad una terna Oxyz, nota che sia la matrice d'inerzia rispetto ad una terna O'xyz ottenibile da quella per semplice traslazione; (2) teorema di Huygens-Steiner classico e applicazioni; (3) costruzione di terne principali d'inerzia mediante traslazione lungo gli assi di una terna centrale d'inerzia. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 05.03.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 3. CINEMATICA DEL PUNTO Nozione di moto di un punto (rispetto ad un riferimento assegnato), moti regolari (ossia di classe C2), velocità media e istantanea di un moto, accelerazione media e istantanea di un moto, interpretazione meccanica della condizione di regolarità del moto (esistenza e continuità di velocità e accelerazioni istantanee nell’intero intervallo di definizione del moto). 4. MOTI RELATIVI Moto relativo di due terne ortogonali (destre): terna fissa, terna mobile, funzioni atte a specificare il moto della terna mobile rispetto a quella fissa, spazio solidale alla terna fissa (spazio fisso) e spazio solidale alla terna mobile; moto di trascinamento e sua descrizione matematica (origine e versori della terna mobile, ovvero coseni direttori, assegnati come funzioni del tempo). Teorema dei moti relativi, velocità assoluta, velocità relativa, velocità di trascinamento. Teorema di Coriolis, accelerazione assoluta, accelerazione relativa, di trascinamento e complementare (o di Coriolis). ------------------------------------------------------------------------------------- gio 06.03.2014 (1 ora) 8:30-9:30 T2 Registrato su ESSE3 Teorema di Poisson e definizione del vettore velocità angolare istantanea (per il moto di trascinamento della terna mobile rispetto alla terna fissa). Calcolo del vettore velocità angolare istantanea per il moto di trascinamento di una terna mobile in moto rotatorio attorno ad un asse coordinato della terna fissa: relazione notevole e convenzione sinistrorsa sull’orientamento relativo di asse e angolo di rotazione. Espressione della velocità di trascinamento, dell’accelerazione di trascinamento e dell’accelerazione di Coriolis in termini del vettore velocità angolare istantanea della terna mobile rispetto a quella fissa. Derivata assoluta e relativa di un vettore variabile nel tempo; relazione fondamentale fra le due derivate. ------------------------------------------------------------------------------------- gio 06.03.2014 (1 ora) 9:30-10:30 T2 Registrato su ESSE3 5. DINAMICA DEL PUNTO MATERIALE LIBERO Primo principio della dinamica e sistemi di riferimento inerziali (o galileiani);

secondo principio della dinamica; assunto sulla forma funzionale della forza attiva agente su un punto materiale F(t,P,V), esempi notevoli di forze che soddisfano la condizione (forze elastiche, di resistenza viscosa, di Lorentz); osservazione sul carattere non banale dell’assunto (esempio della forza di LAD, dipendente dal jerk del punto materiale); equazione del moto come equazione differenziale del secondo ordine riconducibile alla forma normale; forma normale equivalente del primo ordine delle equazioni del moto; equazione o sistema di equazioni differenziali del primo ordine in forma normale nel caso generale (riduzione al primo ordine, problema di riduzione alla forma normale), definizione di soluzione, curva integrale e orbita di una soluzione; problema di Cauchy e condizioni iniziali; teorema di esistenza ed unicità della soluzione del problema di Cauchy per ogni dato iniziale (secondo membro di classe C1, per semplicità), soluzioni prolungabili, prolungamenti, soluzioni massimali (o complete), unicità intesa in relazione alle soluzioni massimali; osservazione sulle ostruzioni che impediscono la definizione di soluzioni massimali sull’intero asse dei tempi (cenno al teorema di prolungabilità). Conseguenze sulla assegnazione delle condizioni iniziali nel caso di un punto materiale libero, determinismo della meccanica del punto materiale libero. ------------------------------------------------------------------------------------- lun 10.03.2014 (1 ora) 10:30-11:30 T2 Registrato su ESSE3 5.1 Oscillatore armonico smorzato Esempio notevole di moto del punto materiale libero: l’oscillatore armonico smorzato; descrizione del sistema meccanico, forza elastica, resistenza viscosa, proiezione lungo gli assi delle equazioni del moto, soluzione generale nei tre regimi (aperiodico, critico, oscillatorio smorzato). 5.2 Oscillatore armonico smorzato unidimensionale con forzante sinusoidale Oscillatore armonico con smorzamento e forzante sinusoidale (caso 1D): equazione del moto e sue caratteristiche (linearità, costanza dei coefficienti, non-omogeneità); struttura della soluzione generale, soluzione generale dell’equazione omogenea associata, sua convergenza a zero per tempi lunghi e relativa interpretazione fisica (moto transiente), soluzione particolare dell’equazione non omogenea, in forma sinusoidale, e sua interpretazione fisica (moto di regime, o stazionario), calcolo delle caratteristiche del moto di regime, ampiezza del moto di regime, pulsazione di risonanza e sua interpretazione fisica. Piccole oscillazioni con smorzamento e forzanti sinusoidali nei sistemi di più punti (cenno). Esempi significativi di applicazione delle piccole oscillazioni forzate: struttura in una configurazione di equilibrio stabile soggetta ad una sollecitazione forzante (es. onda sismica, azioni aerodinamiche o idrauliche). ------------------------------------------------------------------------------------- lun 10.03.2014 (1 ora) 11:30-12:30 T2 Registrato su ESSE3 6. STATICA DEL PUNTO MATERIALE LIBERO Definizione di quiete in una posizione o configurazione P0 del punto materiale; definizione di equilibrio (o posizione di equilibrio, o configurazione di equilibrio) per un punto materiale libero; caratterizzazione delle posizioni di equilibrio per un punto materiale libero in termini della funzione forza [ F(t,P0,0)=0 per ogni t reale]; ruolo del teorema di esistenza ed unicità della soluzione massimale del problema di Cauchy nel verificare che l’unico moto corrispondente alla condizione iniziale (P(t0),V(t0))=(P0,0) è la quiete in P0.

7. DINAMICA DEL PUNTO MATERIALE VINCOLATO Definizione generale di vincolo per un punto materiale (unilaterale e bilaterale), con esempi notevoli; postulato delle reazioni vincolari, forze attive e forze di reazione vincolare. Determinazione a posteriori delle reazioni vincolari per un moto assegnato. Forze di attrito radente (come componenti tangenziali ai vincoli delle reazioni vincolari), vincoli lisci (o privi di attrito). ------------------------------------------------------------------------------------- mar 11.03.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 7.1 Dinamica del punto materiale vincolato ad una curva fissa e liscia. Curve regolari, parametrizzazione, derivata prima come vettore tangente, versore tangente, rettificabilità e ascissa curvilinea, proprietà dell’ascissa curvilinea, proprietà della parametrizzazione qualora si assuma un’ascissa curvilinea come parametro, versore tangente; curvatura, raggio di curvatura e versore normale in un punto di una curva biregolare; cinematica di un punto vincolato a rimanere su una curva biregolare, espressione della velocità istantanea, espressione dell’accelerazione istantanea come somma di un termine tangenziale e di uno centripeto (normale); equazione della dinamica e derivazione dell’equazione pura del moto per la legge oraria s(t) nell’ipotesi di vincolo liscio (privo di attrito radente), riduzione a forma normale, individuazione delle condizioni iniziali, esistenza e unicità della soluzione per il problema di Cauchy; calcolo a posteriori delle reazioni vincolari per un moto del sistema, cimenti dinamici e loro interpretazione meccanica; osservazione sulla non necessità della condizione di biregolarità nella determinazione di una equazione pura del moto (la sola regolarità e l’appartenenza alla classe C2 sono sufficienti). Esempio notevole: il pendolo semplice (definito come punto materiale vincolato ad una circonferenza fissa e liscia disposta in un piano verticale): parametrizzazione, calcolo dell’ascissa curvilinea, riparametrizzazione in termini dell’ascissa curvilinea, versore tangente, versore normale, raggio di curvatura, equazione pura del moto. ------------------------------------------------------------------------------------- mar 11.03.2014 (1 ora) 16:30-17:30 T2 Registato su ESSE3 7.2 Dinamica del punto materiale vincolato ad una superficie fissa e liscia. Nozione di superficie regolare e sua interpretazione geometrica; espressione della velocità e dell’accelerazione istantanea per un punto materiale vincolato a restare su una superficie regolare fissa, equazione della dinamica e determinazione di un sistema di due equazioni pure del moto nell’ipotesi che il vincolo sia liscio (privo di attrito); prova della riducibilità a forma normale del sistema del secondo ordine così ottenuto, facendo ricorso alla condizione di regolarità. 8. STATICA DEL PUNTO MATERIALE VINCOLATO Nozione generale di moto possibile del punto vincolato. Nozione generale di moto naturale del punto vincolato. Statica del punto materiale vincolato ad una curva fissa e liscia, definizione di equilibrio e condizione perché una posizione del sistema sia un equilibrio, identificazione delle posizioni di equilibrio con le soluzioni statiche delle equazioni pure del moto. Statica del punto materiale vincolato ad una superficie fissa e liscia, definizione di equilibrio e condizione perché una posizione del sistema sia un equilibrio, identificazione delle posizioni di equilibrio con le soluzioni statiche delle equazioni pure del moto. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 12.03.2014 (1 ora) 14:30-15:30 T2 Registrato su ESSE3 9. PUNTO MATERIALE VINCOLATO IN PRESENZA DI ATTRITO Punto materiale vincolato ad una curva o superficie con attrito: legge di Coulomb-Morin dell’attrito radente statico come caratterizzante le reazioni vincolari esplicabili dai vincoli in condizioni statiche,

coefficiente di attrito radente statico e sue proprietà; osservazione sul fatto che fra le reazioni vincolari compatibili con la legge di Coulomb-Morin dell’attrito radente statico compaiono anche tutte quelle permesse dal vincolo liscio (ortogonali al vincolo), legge di Coulomb-Morin dell’attrito radente dinamico come caratterizzante le reazioni vincolari esplicabili dai vincoli in condizioni dinamiche, coefficiente di attrito radente dinamico e sue proprietà, relazione con il coefficiente di attrito radente statico; definizione di equilibrio; caratterizzazione delle configurazioni di equilibrio, principio di sicurezza. Caratterizzazione dell’equilibrio di un punto materiale pesante vincolato a scorrere su una curva piana grafico di una funzione assegnata e avente coefficiente di attrito µs. Caso particolare del piano inclinato. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 12.03.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 10. DINAMICA E STATICA RELATIVA Carattere relativo della descrizione dinamica e statica del punto materiale libero o vincolato: estensione del secondo principio della dinamica a terne arbitrarie, forze fittizie o d’inerzia e dipendenza di queste da tempo, posizione e velocità; ruolo delle forze d’inerzia nella dinamica e statica relative a terne di riferimento non inerziali; ininfluenza della forza di Coriolis (nulla a velocità nulla) sulla caratterizzazione degli equilibri relativi; la forza centrifuga come forma particolare assunta dalla forza di trascinamento nel caso di una terna mobile la cui origine sia in quiete rispetto alla terna fissa inerziale e il cui moto di trascinamento sia rotatorio uniforme (cioè con velocità angolare costante); la forza di Eulero come termine della forza di trascinamento dipendente dall’accelerazione angolare istantanea (esempio illustrativo della giostra); condizione necessaria e sufficiente perchè le forze d’inerzia siano identicamente nulle per qualsiasi moto del punto materiale (moto traslatorio rettilineo e uniforme della terna mobile), principio di relatività galileiana. ------------------------------------------------------------------------------------- gio 13.03.2014 (2 ore) 8:30-10:30 T2 Da non registrare su ESSE3 Lezione svolta da Giorgio Pavana Esercizi su baricentri, oscillatore armonico smorzato con forzante sinusoidale e punto materiale vincolato ad una curva o superficie fissa liscia. ------------------------------------------------------------------------------------- lun 17.03.2014 (1 ora) 10:30-11:30 T2 Registrato su ESSE3 11. LAVORO ED ENERGIA Teorema dell’energia cinetica (o delle forze vive) per un punto materiale libero, in forma differenziale. Teorema dell’energia cinetica in forma integrale, campi di forze posizionali, integrale del lavoro, lavoro elementare, campo di forze posizionali e conservative, funzione potenziale, lavoro elementare come differenziale esatto (del potenziale). Teorema dell’energia cinetica (in forma differenziale) nel caso di sollecitazioni puramente posizionali e conservative, integrale primo dell’energia meccanica per un punto materiale libero. Esempi di forze posizionali e conservative con calcolo delle relative funzioni potenziale: forza peso, forza elastica, forza centrifuga. ------------------------------------------------------------------------------------- lun 17.03.2014 (1 ora) 11:30-12:30 T2 Registrato su ESSE3 Campi di forze irrotazionali; prova che un campo di forze C1 posizionale conservativo è sempre irrotazionale;

esempio di campo irrotazionale non conservativo su un dominio non semplicemente connesso; teorema di caratterizzazione dei campi C1 posizionali conservativi come campi irrotazionali nel caso che il dominio di definizione del campo sia convesso, stellato rispetto ad un suo punto, o semplicemente connesso. Esempio di calcolo del potenziale per un campo posizionale nel piano. Caso del punto materiale vincolato ad un vincolo fisso e liscio: ininfluenza delle reazioni vincolari, conservazione dell’energia nel caso di un punto materiale soggetto ad un campo di forze posizionali e vincolato ad una curva/superficie fissa e liscia (discussione dell’esistenza del potenziale). 12. INTEGRALI PRIMI Integrali primi: definizione generale di integrale primo per una equazione differenziale del primo ordine in forma normale. Teorema di caratterizzazione degli integrali primi C1 in termini della derivata lungo le soluzioni dell’equazione differenziale. Verifica che per un punto materiale libero soggetto a forze posizionali e conservative l’energia meccanica è un integrale primo, mediante il teorema di caratterizzazione degli integrali primi. Ulteriore esempio di individuazione di un integrale primo mediante il teorema di caratterizzazione. ------------------------------------------------------------------------------------- mar 18.03.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 13. SISTEMI DI PUNTI MATERIALI LIBERI Sistema di punti materiali liberi: nozione, configurazione, moto, moto regolare, atto di moto, equazioni differenziali del moto, condizioni iniziali, esistenza e unicità delle soluzioni per il problema di Cauchy, determinismo della meccanica. Statica di un sistema di punti materiali liberi: quiete in una configurazione, configurazione di equilibrio, caratterizzazione dell’equilibrio. 13.1 Equazioni cardinali della dinamica e della statica Massa, baricentro, quantità di moto (o impulso), momento angolare (o momento della quantità di moto) rispetto ad un polo O, energia cinetica di un sistema di punti materiali; osservazione sull’invarianza della massa (indipendenza dalla scelta del sistema di riferimento), osservazione sul fatto che quantità di moto, momento angolare in O ed energia cinetica sono grandezze relative (dipendenza dalla scelta del sistema di riferimento). Richiamo del terzo principio della dinamica, forze interne ed esterne ad un sistema, le forze fittizie come forze esterne. ------------------------------------------------------------------------------------- mar 18.03.2014 (1 ora) 16:30-17:30 T2 Registrato su ESSE3 Equazione cardinale della quantità di moto, forma alternativa facendo uso della nozione di baricentro di un sistema di punti materiali. Osservazione sul fatto che l’equazione cardinale non costituisce, di norma, una equazione del moto per il baricentro; eccezione notevole del sistema soggetto soltanto al peso. Equazione cardinale del momento angolare e casi particolari. Relazione fra le soluzioni delle equazioni del moto e le soluzioni delle equazioni cardinali della dinamica. Condizioni necessarie per l’equilibrio di un sistema di punti materiali: le equazioni cardinali della statica (prima e seconda). Teorema dell’energia cinetica (in forma differenziale), con sottolineatura del fatto che la potenza delle sollecitazioni interne risulta in generale diversa da zero; annullarsi della potenza delle forze interne nel caso dei moti rigidi. Sistemi isolati (sistemi su cui non siano applicate sollecitazioni esterne), conservazione della quantità di moto e conservazione del momento angolare rispetto ad un punto fisso arbitrario

(o rispetto al baricentro). Impossibilità di trarre conclusioni circa la conservazione o meno dell’energia cinetica, caso dei moti rigidi. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 19.03.2014 (1 ora) 14:30-15:30 T2 Registrato su ESSE3 14. TEOREMI DI KOENIG Moto traslatorio di una terna mobile rispetto ad una terna fissa, caratterizzazioni alternative (direzioni degli assi costanti nel tempo, versori di base costanti nel tempo, derivate dei versori di base costantemente nulli nel tempo, vettore velocità angolare istantanea costantemente nullo nel tempo). Moto di un sistema attorno ad un punto O arbitrario; moto di un sistema attorno al suo baricentro, terne baricentrali. Il teorema dei moti relativi nel caso che la terna mobile sia in moto traslatorio rispetto alla terna fissa; teorema di Koenig per l’energia cinetica, in forma generale e nel caso del moto attorno al baricentro. Teorema di Koenig per il momento angolare (caso della terna mobile baricentrale). 15. MOTI RIGIDI Definizione generale di moto rigido di un sistema di punti. Spazio solidale ad un sistema in moto rigido. Terna di riferimento solidale ad un sistema in moto rigido. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 19.03.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 Moto rigido rappresentato come moto di trascinamento della terna solidale. Velocità angolare istantanea di un sistema in moto rigido come velocità angolare di trascinamento di una sua terna solidale (rispetto ad una terna fissa comunque assegnata). Teorema di Poisson, ossia teorema di distribuzione delle velocità in un moto rigido arbitrario. Nozione di atto di moto rigido. Relazione fra moto rigido e atto di moto rigido. Moti rigidi composti: definizione, teorema di composizione delle velocità, teorema di composizione delle velocità angolari. ------------------------------------------------------------------------------------- gio 20.03.2014 (1 ora) 8:30-9:30 T2 Registrato su ESSE3 15.1 Moti rigidi notevoli (1) Moti traslatori: definizione; caratterizzazione in termini della velocità istantanea dei punti partecipi del moto rigido (indipendente dal punto e dipendente soltanto dall’istante t); caratterizzazione in termini dei versori associati ad una terna solidale (costanti in t); caratterizzazione in termini del vettore velocità angolare istantanea del moto rigido (costantemente nulla in t); forma dell’atto di moto traslatorio; caso particolare del moto traslatorio rettilineo; caso particolare del moto traslatorio rettilineo ed uniforme. (2) Moti con asse fisso (o rotatori): definizione; verifica che tutti i punti partecipi di un moto con asse fisso si muovono su circonferenze fissate giacenti su un piano ortogonale all’asse fisso e con centro dato dalla proiezione ortogonale del punto dato sull’asse fisso stesso; forma particolare assunta dall’atto di moto (atto di moto rotatorio), prova che il vettore velocità angolare istantanea è parallelo all’asse fisso; scelta standard della terna fissa e della terna solidale, con calcolo del vettore velocità angolare istantanea secondo la convenzione della mano destra (richiamo del risultato).

Caratterizzazione dei moti rotatori come moti rigidi il cui atto di moto è rotatorio con velocità angolare di direzione costante; calcolo dell’angolo di rotazione dalla velocità angolare. Moti rotatori uniformi (per i quali i moti dei punti sono circolari uniformi) e loro caratterizzazione in termini di velocità angolare costante. (3) Moti elicoidali: definizione; verifica che i punti partecipi di un moto elicoidale si muovono su traiettorie aventi la forma di eliche cilindriche; carattere in generale non uniforme del moto dei punti partecipi del moto elicoidale; condizione necessaria e sufficiente per l’uniformità del moto predetto e definizione di moto elicoidale uniforme; atto di moto elicoidale. ------------------------------------------------------------------------------------- gio 20.03.2014 (1 ora) 9:30-10:30 T2 Registrato su ESSE3 15.2 Teorema di Mozzi Enunciato del teorema di Mozzi; forma dell’atto di moto rigido nel caso che il vettore velocità angolare istantanea sia nullo, atto di moto traslatorio come caso limite di atto di moto elicoidale; determinazione del luogo dei punti dello spazio solidale la cui velocità istantanea è parallela al vettore velocità angolare istantanea (non nullo), riduzione al problema equivalente della individuazione dell’asse centrale in un sistema di vettori applicati a risultante non nullo; definizione di asse istantaneo di moto (o di Mozzi); caso in cui la velocità dei punti dell’asse di Mozzi risulta nulla: asse istantaneo di rotazione, atto di moto rotatorio come caso limite di atto di moto elicoidale; prova del teorema di Mozzi. Osservazione sul fatto che l’asse di Mozzi è un attributo dell’atto di moto rigido e varia perciò durante il moto. 15.3 Moti rigidi piani Definizione, piano fisso del moto (π); verifica che le velocità dei punti partecipi del moto rigido piano sono sempre parallele a π; prova che il vettore velocità angolare istantanea è necessariamente ortogonale al piano π; prova che l’asse istantaneo di moto è sempre un asse istantaneo di rotazione; ------------------------------------------------------------------------------------- lun 24.03.2014 (1 ora) 10:30-11:30 T2 Registrato su ESSE3 teorema di classificazione degli atti di moto rigido piano (tali atti di moto sono o traslatori o rotatori, mai elicoidali in senso stretto); centro di rotazione istantanea; calcolo del centro di rotazione istantanea per un atto di moto rigido piano a velocità angolare istantanea non nulla, metodo algebrico e metodo geometrico (teorema di Michel Chasles). Esempi notevoli di illustrazione dei metodi. Osservazione sul fatto che il centro di rotazione istantanea è un attributo dell’atto di moto rigido e varia perciò durante il moto. 16. SISTEMI RIGIDI DI PUNTI MATERIALI Sistemi rigidi di punti materiali: definizione, spazio solidale al sistema, terne solidali al sistema, velocità angolare del sistema; definizione di sistema rigido con un punto fisso, con asse fisso e libero; osservazione sul fatto che il baricentro di un sistema rigido di punti materiali appartiene sempre al relativo spazio solidale; conseguente possibilità che il punto fisso sia il baricentro. Espressione del momento angolare in O di un sistema rigido con punto fisso O. Espressione dell’energia cinetica per un sistema rigido con punto fisso O. Forma matriciale delle relazioni per il momento angolare in O e per l’energia cinetica di un sistema rigido con punto fisso O.

------------------------------------------------------------------------------------- lun 24.03.2014 (1 ora) 11:30-12:30 T2 Registrato su ESSE3 Introduzione generale alla dinamica rigida: le equazioni cardinali della dinamica, convenientemente riscritte e sotto le appropriate ipotesi supplementari, come equazioni del moto. Equazioni cardinali della dinamica rigida. Teorema dell’energia cinetica per un sistema rigido, forma particolare assunta dalla potenza delle sollecitazioni applicate ai punti del sistema. Osservazione generale sulla possibilità di sostituire un sistema di forze attive applicate ad un corpo rigido con un sistema equivalente (di uguali risultante e momento risultante). 16.1 Sistema rigido con punto fisso privo di attrito Moto del sistema come moto di trascinamento di una terna solidale rispetto alla terna fissa. Angoli di Eulero: definizione, biunivocità della corrispondenza fra le configurazioni della terna solidale rispetto alla terna fissa e le terne di valori degli angoli euleriani (intervalli di definizione degli angoli di Eulero); calcolo dei coseni direttori della terna solidale rispetto alla terna fissa e della matrice di trasformazione delle coordinate fra terna solidale e terna fissa, in termini degli angoli di Eulero; rappresentazione della configurazione del sistema rigido in termini degli angoli di Eulero, rappresentazione dei moti regolari in termini degli angoli euleriani come funzioni C2 in un intervallo di tempo I. ------------------------------------------------------------------------------------- mar 25.03.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 Condizione di punto fisso “privo di attrito”: condizione formale, osservazioni ed esempi illustrativi; l’equazione cardinale del momento angolare, nel punto fisso, come equazione pura del moto. Osservazioni sull’opportunità di utilizzare terne solidali al sistema rigido per il calcolo delle matrici d’inerzia. Equazioni di Eulero per un corpo rigido con un punto fisso privo di attrito. “Incompletezza” delle equazioni di Eulero. Espressione della velocità angolare istantanea del sistema rigido in termini degli angoli di Eulero e delle loro derivate prime rispetto al tempo; componenti della velocità angolare istantanea nella terna solidale (cenno). Chiusura delle equazioni di Eulero, riduzione alla forma normale del primo ordine, assegnazione delle condizioni iniziali, esistenza e unicità della soluzione massimale del problema di Cauchy. ------------------------------------------------------------------------------------- mar 25.03.2014 (1 ora) 16:30-17:30 T2 Registrato su ESSE3 Moti per inerzia e caratterizzazione delle rotazioni permanenti. Statica del corpo rigido con punto fisso privo di attrito: definizione di equilibrio, caratterizzazione degli equilibri (seconda equazione cardinale della statica nel punto fisso). 16.2 Sistema rigido libero Problema del moto per un sistema rigido libero (coordinate utilizzate per scrivere le equazioni del moto, equazioni cardinali come equazioni del moto, natura delle equazioni del moto, problema di Cauchy e statica). ------------------------------------------------------------------------------------- mer 26.03.2014 (2 ore) 14:30-16:30 T2 Da non registrare su ESSE3 Lezione svolta da Giorgio Pavana

Esercizi su: asse centrale di un sistema di vettori applicati con risultante non nullo; oscillatore armonico smorzato con forzante sinusoidale; punto vincolato a una curva fissa liscia (equazioni del moto ed equilibri) e con attrito (solo equilibri); punto vincolato a una superficie fissa liscia (equazioni del moto ed equilibri) e con attrito (solo equilibri). ------------------------------------------------------------------------------------- gio 27.03.2014 (1 ora) 8:30-9:30 T2 Registrato su ESSE3 16.3 Sistema rigido con asse fisso Equazione del moto di un sistema rigido con asse fisso privo di attrito. Riduzione a forma normale, problema di Cauchy e descrizione deterministica del sistema. Statica di un sistema rigido con asse fisso privo di attrito. Espressioni per l’energia cinetica e momento angolare di un corpo rigido con asse fisso. ------------------------------------------------------------------------------------- gio 27.03.2014 (1 ora) 9:30-10:30 T2 Registrato su ESSE3 Cimenti dinamici ed equilibratura statica e dinamica di un sistema rigido con asse fisso privo di attrito (trattazione nel caso le forze attive esterne siano trascurabili); interpretazione dell’equilibratura statica per il rotore pesante (pendolo composto, o fisico). Osservazione sul significato fisico dell’aver identificato le equazioni del moto con le equazioni cardinali della dinamica (per un sistema rigido libero): nozione di corpo rigido perfetto. Discussione sui limiti del modello, con esempio illustrativo. Significato delle soluzioni delle equazioni del moto. ------------------------------------------------------------------------------------- lun 31.03.2014 (1 ora) 10:30-11:30 T2 Registrato su ESSE3 17. SISTEMI VINCOLATI Sistemi vincolati. Nozione generale di vincolo, nella forma f(t,P,Ppunto) gt 0. Vincolo dipendente e indipendente dal tempo, unilaterale e bilaterale, olonomo e anolonomo. Esempi illustrativi (pendolo conico teso e non, corpo rigido libero, rotolamento puro di un corpo rigido su una superficie). Definizione di sistema a vincoli indipendenti del tempo, a vincoli bilaterali, olonomo (in cui tutti i vincoli sono rispettivamente, indipendenti dal tempo, bilaterali, olonomi). Osservazione euristica sul fatto che le configurazioni di un sistema olonomo di N punti materiali possono essere descritte da un numero di ‘variabili libere’ inferiore, spesso significativamente, rispetto al numero 3N di coordinate cartesiane del sistema. Sistemi olonomi a vincoli bilaterali, definizione formale: configurazione, parametrizzazione C2 con matrice jacobiana di rango massimo, parametri lagrangiani, numero di gradi di libertà. Significato fisico della parametrizzazione (che individua tutte e sole le configurazioni compatibili con i vincoli olonomi ad un istante assegnato). Sistemi reonomi e scleronomi (nozione). ------------------------------------------------------------------------------------- lun 31.03.2014 (1 ora) 11:30-12:30 T2 Registrato su ESSE3 Esempi di sistemi olonomi, con individuazione di una scelta naturale dei parametri lagrangiani, computo del relativo numero di gradi di libertà e (nei casi più semplici) determinazione esplicita della parametrizzazione: punto su una curva, punto su una superficie, corpo rigido libero, con asse fisso, con asse solidale scorrevole su una retta fissa, con punto fisso, con punto vincolato ad una curva o ad una superficie. Interpretazione delle condizioni di regolarità della parametrizzazione nel caso del punto vincolato ad una curva o superficie, e per il sistema rigido con asse fisso,

17.1 Introduzione descrittiva alla teoria dei sistemi olonomi a vincoli bilaterali ideali (N.B.: Scopo di questa trattazione è fornire una conoscenza operativa delle equazioni di Lagrange, degli equilibri e delle relative proprietà di stabilità. Per le sezioni (1), (4) e (5) le dimostrazioni di interesse sono rinviate alla parte finale del corso.) (1) Le equazioni di Lagrange per i sistemi olonomi a vincoli ideali (la nozione di vincolo ideale viene posposta, sottolineandone però la necessità nella deduzione delle equazioni del moto): energia cinetica del sistema, espressione dell’atto di moto, velocità generalizzate, componenti lagrangiane (o generalizzate) delle sollecitazioni, ------------------------------------------------------------------------------------- mar 01.04.2014 (0 ore) 15:30-17:30 T2 Da non registrare su ESSE3 Lezione non svolta per indisponibilità dei docenti (concomitanza del TOLC). ------------------------------------------------------------------------------------- mer 02.04.2014 (0 ore) 14:30-16:30 T2 Da non registrare su ESSE3 Lezione non svolta per indisponibilità dei docenti (concomitanza del TOLC). ------------------------------------------------------------------------------------- gio 03.04.2014 (1 ora) 8:30-9:30 T2 Registrato su ESSE3 convenzione sulla indipendenza di tempo, parametri lagrangiani e velocità generalizzate, esempio illustrativo (T=1/2 a(q) qpunto2), forma normale del secondo ordine, forma normale equivalente del primo ordine, problema di Cauchy, significato fisico delle condizioni iniziali, determinismo della meccanica classica (nella formulazione lagrangiana). (2) Calcolo dell’energia cinetica di un sistema: additività della definizione, energia cinetica delle parti rigide (secondo la presenza o meno di punti/assi fissi). (3) Esempi di forze generalizzate: forze peso, forze elastiche, ------------------------------------------------------------------------------------- gio 03.04.2014 (1 ora) 8:30-9:30 T2 Registrato su ESSE3 forze centrifughe, riconoscibili come forze posizionali conservative, nei sistemi scleronomi, mediante il calcolo diretto dei relativi potenziali. Additività delle forze generalizzate rispetto a forze e punti materiali, potenziale del sistema, lagrangiana, forma delle equazioni di Lagrange in presenza di sollecitazioni posizionali conservative, caso puramente posizionale conservativo. (4) Equilibri dei sistemi scleronomi: soluzioni statiche delle equazioni di Lagrange, caratterizzazione degli equilibri nel caso posizionale conservativo come punti critici del potenziale, (5) Stabilità degli equilibri nei sistema scleronomi: il pendolo semplice come esempio introduttivo alla stabilità/instabilità degli equilibri, ------------------------------------------------------------------------------------- lun 07.04.2014 (1 ora) 10:30-11:30 T2 Registrato su ESSE3 definizione di equilibrio stabile secondo Liapunov (ovvero della corrispondente soluzione statica delle equazioni di Lagrange),

definizione di equilibrio instabile secondo Liapunov (ovvero della corrispondente soluzione statica delle equazioni di Lagrange), osservazione sul significato dell’instabilità secondo Liapunov, teorema di Lagrange-Dirichlet nel caso posizionale conservativo (enunciato), teorema di inversione parziale di Lagrange-Dirichlet (enunciato). Significato dei teoremi di Lagrange-Dirichlet e di inversione parziale: (a) nozioni fondamentali di analisi e algebra lineare: - approssimazione di Taylor al secondo ordine per funzioni reali di più variabili reali, matrice hessiana del potenziale nella configurazione di equilibrio e relativa forma quadratica associata hessiana, simmetria della matrice hessiana per potenziali C2; - carattere reale degli autovalori dell’hessiana come conseguenza della simmetria; - nozione di matrice (hessiana) simmetrica definita positiva/negativa, indefinita, semidefinita positiva/negativa in termini della forma hessiana associata; - nozioni equivalenti in termini di autovalori della matrice hessiana; - nozione di matrice simmetrica definita positiva/negativa in termini del teorema di Sylvester; (b) applicazione ai teoremi: - verifica che nel caso di hessiana definita positiva, semidefinita positiva, indefinita, l’equilibrio è instabile per il teorema di inversione parziale di Lagrange-Dirichlet e che, nelle stesse condizioni, l’equilibrio non è un massimo relativo proprio del potenziale (i teoremi di Lagrange-Dirichlet e di inversione parziale sono mutuamente esclusivi); - verifica che per hessiana definita negativa l’equilibrio è un massimo relativo proprio del potenziale, stabile per Lagrange-Dirichlet; - verifica che se l’hessiana è solo semidefinita negativa l’equilibrio può essere o meno un massimo relativo proprio del potenziale (il termine di resto diventa determinante lungo gli autovettori associati all’autovalore 0 della matrice hessiana), - casi nei quali l’equilibrio è effettivamente un massimo (difficilmente riconoscibile, ma comunque stabile per Lagrange-Dirichlet), - casi critici (nei quali l’equilibrio non è un massimo relativo proprio del potenziale e l’hessiana risulta soltanto semidefinita negativa, per cui non sono applicabili né Lagrange-Dirichlet, né la relativa inversione parziale); giustificazione della denominazione del teorema di inversione “parziale” di Lagrange-Dirichlet (i teoremi di Lagrange-Dirichlet e di inversione parziale non sono esaustivi della totalità dei casi possibili, per via dei casi critici); impossibilità di una inversione completa del teorema di Lagrange-Dirichlet. Applicazione particolare dei teoremi di Lagrange-Dirichlet e di inversione parziale nel caso di sistemi scleronomi: - a un grado di libertà (segno della derivata seconda) - a due gradi di libertà (segno del determinante e della traccia). ------------------------------------------------------------------------------------- lun 07.04.2014 (1 ora) 11:30-12:30 T2 Registrato su ESSE3 Lezione svolta da Stefano Siboni. Esercizi sulla dinamica e statica del corpo rigido con asse fisso privo di attrito. ------------------------------------------------------------------------------------- mar 08.04.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 17.2 Derivazione delle equazioni di Lagrange e loro riduzione a forma normale Per un istante assegnato t’ ed una configurazione assegnata P’=P(t’,q’) compatibile con i vincoli olonomi a tale istante, definizione di

- moto possibile - moto virtuale - atto di moto possibile (e velocità possibile) - atto di moto virtuale (e velocità virtuale)

relativi alla coppia (t’,P’), in termini della parametrizzazione P(t,q) del sistema olonomo, mediante l’introduzione di una funzione q(t) tale che:

- q(t) sia definita in [t’,t’+ε), con ε>0,

- q(t) sia C2 in [t’,t’+ε), - q(t) assuma valori consentiti ai parametri lagrangiani per ogni t in [t’,t’+ε) - q(t’)=q’.

Illustrazione della differenza fra moto possibile e virtuale nel caso di un punto vincolato a rimanere su una curva mobile (es. circonferenza di raggio variabile con centro e giacitura fissi). Coincidenza fra moti possibili e virtuali nel caso scleronomo. Espressione esplicita dell’atto di moto possibile e dell’atto di moto virtuale in termini della parametrizzazione P(t,q) del sistema olonomo. Atti di moto virtuali invertibili e non invertibili. Caratterizzazione e invertibilità degli atti di moto virtuali nel caso di un sistema olonomo a vincoli bilaterali, accertata usando q(t)=q’+(t-t’)a, con a=(α1, α2,… αn) vettore fissato a piacere. Postulato delle reazioni vincolari. Principio delle reazioni vincolari. Osservazione sul fatto che il principio delle reazioni vincolari non è una legge fisica fondamentale: esistenza di sistemi a vincoli ideali e di sistemi a vincoli non ideali. Commento sul fatto che la condizione dei vincoli ideali non è mai soddisfatta in senso stretto, poichè non pone alcun limite all’intensità delle reazioni vincolari esprimibili dai vincoli. Invertibilità degli atti di moto virtuali nel caso di un sistema olonomo a vincoli bilaterali, forma particolare assunta dal principio delle reazioni vincolari. ------------------------------------------------------------------------------------- mar 08.04.2014 (1 ora) 16:30-17:30 T2 Registrato su ESSE3 Esempi di sistemi a vincoli ideali: punto materiale libero, sistemi di punti materiali liberi; punto materiale su una curva liscia, punto materiale su una superficie liscia, corpo rigido libero, corpo rigido con punto fisso privo di attrito, corpo rigido con asse fisso privo di attrito. Moti naturali di un sistema olonomo a vincoli ideali. Caratterizzazione dei moti naturali per mezzo dell’equazione simbolica della dinamica. Equazione simbolica della dinamica in forma lagrangiana. Equazioni di Lagrange per i sistemi olonomi a vincoli bilaterali, componenti lagrangiane o generalizzate delle sollecitazioni attive. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 09.04.2014 (2 ore) 14:30-16:30 T2 Da non registrare su ESSE3 Lezione svolta da Giorgio Pavana. Esercizi su corpo rigido con asse fisso privo di attrito, cinematica rigida, vettori applicati, punto vincolato a una curva/superficie fissa e liscia, o con attrito nel caso statico. ------------------------------------------------------------------------------------- gio 10.04.2014 (1 ora) 8:30-9:30 T2 Registrato su ESSE3 Energia cinetica di un sistema olonomo a n gradi di libertà e riscrittura equivalente delle equazioni di Lagrange. Osservazione sulla opportunità di tale riscrittura nel caso di sistemi costituiti da un numero finito di punti materiali e di parti rigide. Struttura dell’energia cinetica di un sistema olonomo a n gradi di libertà, termine quadratico, lineare e costante nelle velocità generalizzate. Prova che i coefficienti di tali termini sono funzioni C1 delle variabili (t,q). Prova che i coefficienti del termine quadratico sono simmetrici per lo scambio degli indici. Struttura delle equazioni di Lagrange, con evidenziati i termini di accelerazione generalizzata, forma matriciale equivalente. Prova che la matrice dei coefficienti del termine quadratico è

invertibile. Conseguente riducibilità alla forma normale del primo ordine delle equazioni di Lagrange. ------------------------------------------------------------------------------------- gio 10.04.2014 (1 ora) 9:30-10:30 T2 Registrato su ESSE3 17.3 Sistemi olonomi a vincoli unilaterali ideali (sinteticamente, mettendo in luce le differenza rispetto al caso bilaterale) Sistemi olonomi a vincoli unilaterali (dominio della parametrizzazione non aperto). Configurazioni ordinarie e di confine. Conseguenze sulla espressione dei moti e delle velocità virtuali. Velocità virtuali non invertibili (in corrispondenza delle configurazioni di confine). Esempi notevoli di determinazione degli atti di moto virtuali: sistemi a un g.d.l., il cui unico parametro lagrangiano varia in un intervallo limitato e chiuso; sistemi a due g.d.l. i cui parametri lagrangiani variano in un rettangolo chiuso o una striscia. Principio delle reazioni vincolari nella forma generale. Esempio illustrativo: forma delle reazioni vincolari nel caso di un punto vincolato a una curva completa dei propri estremi, nell’ipotesi di vincoli ideali. Moti naturali di un sistema a vincoli ideali unilaterali e loro caratterizzazione per mezzo della relazione simbolica della dinamica, in luogo dell’equazione simbolica della dinamica. Validità delle equazioni di Lagrange nel caratterizzare i moti naturali che coinvolgono esclusivamente configurazioni ordinarie del sistema. ------------------------------------------------------------------------------------- lun 28.04.2014 (1 ora) 10:30-11:30 T2 Registrato su ESSE3 17.4 Statica dei sistemi scleronomi a vincoli ideali Definizione generale di quiete di un sistema olonomo a n gradi di libertà (e vincoli bilaterali o unilaterali), come moto possibile; osservazione sul fatto che in un sistema reonomo non è ovvia l’esistenza di stati di quiete, semplici esempi illustrativi (punto su circonferenza mobile, con o senza posizioni fisse, asta o piastra che oscilla in un piano rotante uniformemente e passante per un asse coordinato). osservazione sul fatto che in un sistema scleronomo ogni stato di quiete P0 si ottiene assegnando valori costanti q0 delle coordinate lagrangiane nella parametrizzazione del sistema, P=P(q0)= P0. Definizione generale di configurazione di equilibrio di un sistema a vincoli ideali olonomi e unilaterali (configurazione P0 per la quale la quiete in P0 risulta un moto naturale del sistema). Caratterizzazione degli equilibri di un sistema sclerolonomo a n gradi di libertà, a vincoli unilaterali ideali, per mezzo del teorema dei lavori virtuali. Commento sulla denominazione del teorema: uso equivalente degli spostamenti virtuali e del lavoro virtuale in luogo delle velocità virtuali e della potenza virtuale. Forma lagrangiana equivalente del teorema dei lavori virtuali. (i) Caso delle configurazioni ordinarie: l’annullarsi di tutte le componenti lagrangiane Qh(t,q0,0) per h=1,…,n e a tutti i tempi t reali, come condizione necessaria e sufficiente perchè P(q0) sia una configurazione di equilibrio; verifica che il sussistere in P(q0) di una configurazione di equilibrio equivale all’essere q(t)= q0, per ogni t reale, soluzione (statica) delle equazioni di Lagrange; caso particolare dei sistemi soggetti a sole sollecitazioni posizionali e conservative, le configurazioni di equilibrio ordinarie come punti critici del potenziale U. (ii) Caso delle configurazioni di confine: illustrazione del teorema dei lavori virtuali in forma lagrangiana negli esempi già esaminati (esempi a uno e due gradi di libertà, con dominio di parametrizzazione dato da un intervallo, una striscia o un rettangolo chiusi). ------------------------------------------------------------------------------------- lun 28.04.2014 (1 ora) 11:30-12:30 T2 Registrato su ESSE3 Lezione svolta da Stefano Siboni. Esercizi sul calcolo di velocità angolare, energia cinetica e momento angolare di sistemi rigidi variamente vincolati, in moto piano. -------------------------------------------------------------------------------------

mar 29.04.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 Lezione svolta da Stefano Siboni. Esercizi sul calcolo di velocità angolare, energia cinetica e momento angolare di sistemi rigidi variamente vincolati, in moto piano. ------------------------------------------------------------------------------------- mar 29.04.2014 (1 ora) 16:30-17:30 T2 Registrato su ESSE3 Lezione svolta da Stefano Siboni. Esercizio sulla determinazione degli equilibri ordinari, delle proprietà di stabilità degli equilibri, dell’energia cinetica e delle equazioni del moto per un sistema scleronomo a due gradi di libertà posizionale conservativo a vincoli bilaterali ideali. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 30.04.2014 (1 ora) 14:30-15:30 T2 Registrato su ESSE3 Lezione svolta da Stefano Siboni. Esercizio sulla determinazione degli equilibri ordinari, delle proprietà di stabilità degli equilibri, dell’energia cinetica e delle equazioni del moto per un sistema scleronomo a due gradi di libertà posizionale conservativo a vincoli bilaterali ideali. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 30.04.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 Lezione svolta da Stefano Siboni. Esercizio sulla determinazione degli equilibri ordinari, delle proprietà di stabilità degli equilibri, dell’energia cinetica e delle equazioni del moto per un sistema scleronomo a un grado di libertà posizionale conservativo a vincoli bilaterali ideali. ------------------------------------------------------------------------------------- lun 05.05.2014 (1 ora) 10:30-11:30 T2 Registrato su ESSE3 Lezione svolta da Stefano Siboni. Esercizio sulla determinazione degli equilibri ordinari, delle proprietà di stabilità degli equilibri, dell’energia cinetica e delle equazioni del moto per un sistema scleronomo a un grado di libertà posizionale conservativo a vincoli bilaterali ideali, in presenza di forze centrifughe. ------------------------------------------------------------------------------------- lun 05.05.2014 (1 ora) 11:30-12:30 T2 Registrato su ESSE3 Lezione svolta da Stefano Siboni. Esercizio sulla determinazione delle equazioni del moto in un sistema di riferimento in moto rotatorio uniformemente accelerato attorno ad un asse verticale (contributo delle forze di Eulero). Esercizio sulla determinazione dell’energia cinetica, degli equilibri ordinari e delle proprietà di stabilità degli equilibri ordinari in un sistema scleronomo a due gradi di libertà posizionale conservativo a vincoli ideali (discussione della matrice hessiana con il metodo del determinante e della traccia). ------------------------------------------------------------------------------------- TERMINE DEL CORSO DI FONDAMENTI DI MECCANICA RAZIONALE ------------------------------------------------------------------------------------- mar 06.05.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 17.5 Caso notevole: il teorema di Torricelli Enunciato e dimostrazione del teorema, con esempio illustrativo (pendolo fisico, o composto). 17.6 Statica dei sistemi reonomi a vincoli ideali Stati di quiete e configurazioni di equilibrio di un sistema reonomo a vincoli ideali. Osservazione sul modo di definire stati di quiete che siano moti possibili nei sistemi reonomi. Caratterizzazione dell’equilibrio mediante il teorema dei lavori virtuali per i sistemi olonomi a vincoli ideali unilaterali, enunciato in termini di velocità e potenze virtuali; enunciato equivalente in termini di spostamenti e lavori virtuali;

enunciato equivalente in termini di componenti lagrangiane, con le velocità o gli spostamenti virtuali. (Il teorema è stato svolto nel primo modulo limitatamente ai sistemi scleronomi e viene qui esteso ai sistemi reonomi). 17.7 Sollecitazioni di potenza non positiva e loro effetto sull’equilibrio Potenza di una sollecitazione attiva in un sistema scleronomo, definizione e relazione con il concetto usuale di potenza per un sistema di forze applicate ad un sistema di punti materiali. Sollecitazioni di potenza non positiva, non energetiche e dissipative, con esempi notevoli (forza di Coriolis, forza di Lorentz, forze di resistenza viscosa ed idraulica). Verifica che le sollecitazioni di potenza non positiva dipendono sempre dalle velocità generalizzate. ------------------------------------------------------------------------------------- mar 06.05.2014 (1 ora) 16:30-17:30 T2 Registrato su ESSE3 Teorema dell’energia cinetica per i sistemi scleronomi a vincoli ideali, limitatamente ai soli moti naturali regolari (che interessano configurazioni ordinarie del sistema): (i) prova diretta, osservando che nell’espressione della potenza le velocità possibili sono sempre interpretabili come velocità virtuali e che la potenza è nulla per la condizione di vincoli ideali; (ii) osservazione sul fatto che la potenza delle reazioni vincolari nei sistemi reonomi a vincoli ideali è non nulla (esempio del punto vincolato a una curva liscia fissa o mobile); (iii) prova indiretta, partendo dalle equazioni di Lagrange e ricordando che l’energia cinetica è una forma quadratica (indipendente dal tempo) delle velocità generalizzate. Teorema dell’energia meccanica nelle stesse ipotesi. Giustificazione delle denominazioni usate per le varie tipologie di sollecitazioni a potenza non positiva. Sistemi posizionali conservativi e sistemi conservativi non posizionali, integrale primo dell’energia meccanica; sistemi dissipativi. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 07.05.2014 (1 ora) 14:30-15:30 T2 Registrato su ESSE3 Annullarsi delle sollecitazioni continue di potenza non positiva per velocità generalizzata nulla (con dimostrazione). Ininfluenza sugli equilibri delle sollecitazioni continue a potenza non positiva, che in condizioni statiche scompaiono dal teorema dei lavori virtuali. 17.8 Teorema dei lavori virtuali applicato ai sistemi rigidi a vincoli ideali Equazioni cardinali della statica come condizioni sufficienti per l’equilibrio dedotte dal teorema dei lavori virtuali nel caso di un sistema rigido: libero perfetto; con punto fisso privo di attrito; con asse fisso privo di attrito. 17.9 Sistemi olonomi composti da un numero finito di parti rigide e a vincoli ideali Rappresentazione generale dell’atto di moto virtuale; forma assunta dal principio delle reazioni vincolari (dipendente soltanto da risultanti e momenti risultanti delle reazioni vincolari applicate alle singole parti rigide); forma assunta dal teorema dei lavori virtuali (dipendente unicamente da risultanti e momenti risultanti delle forze attive applicate alle singole parti rigide). ------------------------------------------------------------------------------------- mer 07.05.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 Equazioni cardinali della statica per le parti rigide costituenti; le equazioni cardinali della statica per tutte le parti rigide come condizioni necessarie e sufficienti per l’equilibrio (dunque equivalenti al teorema dei lavori virtuali). Osservazione sul fatto che il risultato non confligge con la generale necessità ma non sufficienza delle equazioni cardinali statiche (del sistema, e non di tutte le parti rigide).

Osservazione sulla maggiore semplicità del teorema dei lavori virtuali rispetto alle equazioni cardinali statiche per le parti rigide; approccio standard al problema statico: determinazione degli equilibri mediante il teorema dei lavori virtuali e calcolo dei risultanti e momenti risultanti delle reazioni vincolari su tutte le parti rigide mediante le relative equazioni cardinali statiche; osservazione sulla impossibilità di calcolare le singole reazioni vincolari nei sistemi a vincoli ideali composti da un numero finito di parti rigide: necessità di dettagliare in modo più specifico la struttura delle reazioni vincolari. 17.10 Sistemi olonomi composti da un numero finito di parti rigide e a reazioni vincolari concentrate Sistemi di parti rigide a reazioni vincolari esterne concentrate: reazioni interne ed esterne a ciascuna parte rigida e assunti relativi a tali reazioni (reazioni interne esplicabili definite secondo il modello del corpo rigido perfetto); giustificazione fisica di questo tipo di modelli su un esempio notevole, l’asta appoggiata: scelta dei punti di applicazione delle reazioni esterne, introduzione degli eventuali momenti concentrati (o di attrito volvente); definizione di equilibrio per un sistema di parti rigide a reazioni vincolari esterne concentrate; determinazione degli equilibri mediante le equazioni cardinali della statica per tutte le parti rigide del sistema (condizioni necessarie e sufficienti per l’equilibrio grazie all’ipotesi del corpo rigido perfetto assunta per tutte le parti rigide); problemi staticamente determinati ed indeterminati; osservazione sul fatto che un sistema olonomo di parti rigide a reazioni vincolari esterne concentrate potrebbe non risultare a vincoli ideali (esempio notevole); conseguente, eventuale impossibilità di applicare il teorema dei lavori virtuali. ------------------------------------------------------------------------------------- gio 08.05.2014 (1 ora) 8:30-9:30 T2 Registato su ESSE3 17.11 Statica dei sistemi olonomi in presenza di attrito Vincoli con attrito radente, legge di Coulomb-Morin dell'attrito radente statico per un punto materiale vincolato a restare su una curva o una superficie. Condizione necessaria e sufficiente per l’equilibrio Osservazione sul fatto che nel punto materiale vincolato a restare su una curva/superficie regolare con attrito, se una configurazione viene riconosciuta come di equilibrio assumendo il vincolo ideale, allora la configurazione risulta effettivamente un equilibrio, anche tenendo conto dell’attrito, mentre in generale possono sussistere degli equilibri definiti in forza dell’attrito radente e che quindi scompaiono nel momento in cui gli attriti radenti vengano rimossi. La condizione segue dal fatto che le reazioni vincolari compatibili con il principio delle reazioni vincolari sono anche compatibili con la legge di Coulomb-Morin dell’attrito radente statico, ma non viceversa. Estensione dell’osservazione a sistemi (olonomi) qualsiasi con attrito: principio di sicurezza (in condizioni statiche l’insieme delle reazioni vincolari esplicabili da un sistema olonomo con attrito include l’insieme delle reazioni vincolari esplicabili dallo stesso sistema trattato come a vincoli ideali). Conseguenza: in un sistema olonomo con attrito il teorema dei lavori virtuali è condizione sufficiente, ma in generale non necessaria, per l’equilibrio. 18. Stabilità 18.1 Nozioni generali Per la soluzione costante x(t)=0 di una equazione differenziale ordinaria nel primo ordine in forma normale ed autonoma (per la quale valga il teorema di esistenza ed unicità della soluzione massimale per ogni problema di Cauchy): definizione di stabilità secondo Liapunov; definizione di instabilità secondo Liapunov (carattere dicotomico della definizione); definizione di attrattività secondo Liapunov; definizione di stabilità asintotica; indipendenza fra stabilità ed attrattività (esistenza di soluzioni stabili non attrattive e di soluzioni attrattive ma instabili). Estensione delle precedenti definizioni al caso di soluzioni costanti x(t)=x* qualsiasi. Cenno alla estensione delle stesse definizioni al caso di soluzioni x(t) qualsivoglia.

Osservazione sul significato fisico dell’instabilità secondo Liapunov: l’instabilità non implica che TUTTE le soluzioni perturbate debbano allontanarsi dalla soluzione costante instabile; in effetti, in ogni sfera di condizioni iniziali può esistere un sottoinsieme le cui corrispondenti soluzioni massimali tendono asintoticamente alla soluzione costante instabile, mentre per tutte le altre condizioni iniziali le soluzioni massimali escono dalla sfera di instabilità. I punti del primo tipo costituiscono un insieme di “volume” nullo rispetto a quelli del secondo tipo, che quindi si realizzano con probabilità 1 per una scelta casuale della condizione iniziale. ------------------------------------------------------------------------------------- gio 08.05.2014 (1 ora) 9:30-10:30 T2 Registrato su ESSE3 Pregi e difetti della definizione di stabilità secondo Liapunov: (1) generalità (le definizioni sono applicabili alle soluzioni di un sistema qualsiasi di equazioni differenziali, quale che ne sia il significato fisico); (2) nel caso dell’equilibrio meccanico, le definizioni sono applicabili ai soli equilibri ordinari (gli equilibri ordinari di un sistema scleronomo sono le soluzioni statiche delle equazioni di Lagrange del moto, mentre gli equilibri di confine no. Per gli equilibri di confine non ha senso parlare di stabilità o instabilità secondo Liapunov). 18.2 Analisi di Weierstrass Caso particolare in cui lo studio della stabilità degli equilibri può essere condotto attraverso una analisi qualitativa dei moti: la discussione di Weierstrass. Sistemi unidimensionali conservativi, funzione potenziale ed energia potenziale, integrale primo dell’energia; funzione di Weierstrass; riscrittura delle equazioni del moto in termini della funzione di Weierstrass. Teorema di caratterizzazione delle coppie (x0,E) di posizione iniziale x0 ed energia E per le quali si ha almeno un moto del sistema, in termini della funzione di Weierstrass. ------------------------------------------------------------------------------------- lun 12.05.2014 (1 ora) 10:30-11:30 T2 Registrato su ESSE3 Criteri di Weierstrass (enunciato). Dimostrazione dei criteri di Weierstrass. ------------------------------------------------------------------------------------- lun 12.05.2014 (1 ora) 11:30-12:30 T2 Registrato su ESSE3 Applicazione dei criteri di Weierstrass all’analisi qualitativa delle soluzioni nei sistemi posizionali ad un grado di libertà, prendendo a modello un potenziale tipico (con un massimo relativo, un minimo relativo, un flesso orizzontale ascendente e valori limite –infinito e + infinito): individuazione degli zeri della funzione di Weierstrass come punti di intersezione fra il grafico dell’energia potenziale W e la retta rappresentativa del livello E di energia; determinazione della natura di tali zeri (semplici o multipli) in base alla derivata di W; predeterminazione dei possibili zeri multipli come punti critici di W; calcolo dei livelli energetici notevoli (corrispondenti ai valori di W nei punti critici, a valori intermedi, inferiori al minimo e superiori al massimo); piano delle fasi (q,qpunto); costruzione del ritratto di fase del sistema, evidenziando

soluzioni statiche (e punti rappresentativi degli stati di quiete), moti oscillatori (e orbite periodiche), moti a meta asintotica (e separatrici, distinguendole dagli equilibri). osservazioni di dettaglio circa

la simmetria delle curve di livello dell’energia rispetto all’asse x nel ritratto di fase, l’andamento (ellittico o più complesso) delle orbite intorno a un minimo relativo di W, l’andamento delle orbite nell’intorno di un punto di inversione (parabolico) (precisando l’ortogonalità dell’intersezione con l’asse x), l’andamento delle curve separatrici nell’intorno della soluzione statica. Applicazione dei criteri di Weierstrass all’analisi di stabilità dell’equilibrio:

verifica diretta della stabilità per i punti di minimo relativo proprio dell’energia potenziale; verifica diretta della instabilità per i punti di massimo relativo proprio dell’energia potenziale; verifica diretta che il comportamento di una soluzione statica instabile sotto perturbazioni del dato iniziale è quello che intuitivamente ci si attende per una soluzione statica instabile (la quasi totalità delle soluzioni perturbate non si mantiene prossima alla soluzione statica, benché siano comunque presenti soluzioni che nel futuro tendono asintoticamente alla soluzione statica); estensione ai punti di flesso orizzontale dell’energia potenziale W. Analisi di Weierstrass nel caso in cui il parametro lagrangiano vari in un intervallo limitato aperto (uso del teorema di prolungabilità) o chiuso (processi d’urto elastici o anelastici nelle configurazioni di confine, moti non regolari, modelli “a biliardo”). ------------------------------------------------------------------------------------- mar 13.05.2014 (2 ore) 15:30-17:30 T2 Da non registrare su ESSE3 Lezione svolta da Giorgio Pavana Esercizi sul calcolo delle componenti lagrangiane e della potenza di sollecitazioni non posizionali. Esercizi sulle equazioni cardinali della statica per sistemi di parti rigide. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 14.05.2014 (1 ora) 14:30-15:30 T2 Registrato su ESSE3 Esempio notevole di applicazione dell’analisi di Weierstrass: il pendolo semplice e il pendolo fisico: equazioni pure del moto, integrale dell’energia meccanica, energia potenziale e suo grafico, discussione qualitativa delle soluzioni e loro interpretazione fisica. 18.3 Teoremi di Liapunov Introduzione ai teoremi di stabilità: schema generale (teoremi generali, teoremi specifici relativi ai sistemi scleronomi, mutue relazioni fra detti teoremi). Enunciato del teorema di Liapunov di stabilità (nel caso autonomo), enunciato del teorema di Liapunov di stabilità asintotica (nel caso autonomo), definizioni fondamentali relative e loro significato geometrico (funzione di Liapunov e sua derivata di Lie, funzioni definite e semidefinite positive e negative in una sfera chiusa). ------------------------------------------------------------------------------------- mer 14.05.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 Dimostrazione del teorema di Liapunov di stabilità. Dimostrazione del teorema di Liapunov di stabilità asintotica. Esempi di applicazione dei teoremi di Liapunov di stabilità e di stabilità asintotica a semplici sistemi scleronomi unidimensionali soggetti a forze posizionali conservative e a sollecitazioni dissipative. ------------------------------------------------------------------------------------- gio 15.05.2014 (1 ora) 8:30-9:30 T2 Registrato su ESSE3 18.4 Stabilità della soluzione statica nei sistemi lineari e teorema di analisi lineare della stabilità Studio euristico della stabilità della soluzione statica (x1,x2)=(0,0) in un sistema lineare omogeneo a coefficienti costanti nel piano, classificazione in base agli autovalori della matrice A del sistema. (1) Matrice A non singolare: (i) autovalori reali distinti - autovalori reali di segno opposto (sella, instabile) - autovalori reali positivi distinti (nodo instabile) - autovalori reali negativi distinti (nodo stabile) (ii) autovalori reali coincidenti - positivi (caso di A diagonalizzabile e non, nodo degenere instabile) - negativi (caso di A diagonalizzabile e non, nodo degenere stabile) (iii) autovalori complessi coniugati

- con parte reale positiva (fuoco instabile) - con parte riale negativa (fuoco stabile) - con parte reale nulla (autovalori immaginari puri non nulli) (centro, stabile non attrattivo). ------------------------------------------------------------------------------------- gio 15.05.2014 (1 ora) 9:30-10:30 T2 Registrato su ESSE3 (2) Matrice A singolare: (i) autovalore nullo semplice (ii) autovalore nullo doppio - per A diagonalizzabile (piano di punti fissi, stabilità semplice) - per A non diagonalizzabile (asse di punti fissi, instabilità). Teorema della stabilità della soluzione costante x=0 nel caso di un sistema lineare omogeneo a coefficienti costanti (solo enunciato, con giustificazione qualitativa dello stesso in base alla forma della soluzione generale dell’equazione, distinguendo il caso sia definita una base di autovettori e quello in cui sia necessario ricorrere ad autovettori generalizzati): equazione caratteristica, molteplicità algebrica e geometrica degli autovalori, diseguaglianza di Jordan (molteplicità geometrica <= molteplicità algebrica), lineare indipendenza di autovettori associati ad autovalori distinti, condizione necessaria e sufficiente per l’esistenza di una base di autovettori, esistenza di una base di autovettori generalizzati in caso contrario (teorema di Jordan), forma della soluzione generale dell’equazione differenziale nel caso di matrice diagonalizzabile, forma della soluzione nel caso di matrice non diagonalizzabile (cenno qualitativo), discussione qualitativa della stabilità del punto fisso x=0. ------------------------------------------------------------------------------------- lun 19.05.2014 (1 ora) 10:30-11:30 T2 Registrato su ESSE3 Teorema di analisi lineare di stabilità (solo enunciato). Esempio che dimostra come il teorema di analisi lineare non possa essere esteso ai casi critici (punto materiale vincolato ad un asse coordinato e soggetto ad un potenziale quartico αx4). 18.5 Stabilità degli equilibri ordinari nei sistemi olonomi Definizione di stabilità, attrattività, instabilità e stabilità asintotica dell’equilibrio ordinario in un sistema scleronomo. Problemi nella estensione delle stesse definizioni agli equilibri di confine. Osservazione sulla opportunità di sviluppare teoremi specifici per l’analisi di stabilità dell’equilibrio nei sistemi scleronomi (onde evitare l’individuazione, non banale, di funzioni di Liapunov appropriate per l’applicazione diretta dei criteri di Liapunov e il calcolo degli autovalori per una matrice 2n x 2n nei sistemi scleronomi a n gradi di libertà). Enunciato dei principali risultati per l’analisi di stabilità dell’equilibrio nei sistemi scleronomi: (1) Lagrange-Dirichlet (anche in presenza di eventuali sollecitazioni di potenza non positiva); (2) inversione parziale di Lagrange-Dirichlet; (3) forma “forte” del teorema di Lagrange-Dirichlet per equilibri isolati in presenza di sollecitazioni completamente dissipative (basata sui criteri di Barbasin-Krasovskii). (1) Commenti sul teorema di Lagrange-Dirichlet: possibile presenza di sollecitazioni di potenza non positiva, accanto a quelle posizionali conservative. (2) Commenti sul teorema di inversione parziale di Lagrange-Dirichlet: osservazione sull’equivalenza fra la richiesta che l’hessiana del potenziale abbia almeno un autovalore positivo e che l’assenza del massimo del potenziale nell’equilibrio si possa riconoscere dall’esame dell’hessiana; osservazione sul conseguente carattere parziale dell’inversione, casi critici di stabilità;

osservazione circa l’esclusione delle sollecitazioni non posizionali conservative, che sono invece tollerate nel teorema di Lagrange-Dirichlet. ------------------------------------------------------------------------------------- lun 19.05.2014 (1 ora) 11:30-12:30 T2 Registrato su ESSE3 (3) Commenti sulla forma forte del teorema di Lagrange-Dirichlet: sollecitazioni completamente dissipative (definizione); esempio notevole (resistenza viscosa agente su un punto materiale libero); resistenze viscose o idrauliche agenti su tutti i punti materiali di un sistema scleronomo; equilibri isolati (definizione); verifica che gli equilibri sono sempre isolati se in numero finito; verifica che se un equilibrio isolato è un massimo relativo del potenziale deve essere necessariamente proprio; verifica che un equilibrio non isolato non può essere attrattivo. Dimostrazione del teorema di Lagrange-Dirichlet come applicazione del criterio di stabilità di Liapunov. Osservazione sul fatto che il carattere dissipativo delle forze non posizionali è in realtà richiesto soltanto in un intorno della soluzione statica e non in tutto lo spazio delle fasi. Osservazione sul fatto che la derivata di Lie dell’energia meccanica non è mai definita negativa e conseguente impossibilità di applicare il criterio di stabilità asintotica di Liapunov. Osservazione sul fatto che nel caso posizionale conservativo la conservazione dell’energia meccanica esclude l’attrattività dell’equilibrio. ------------------------------------------------------------------------------------- mar 20.05.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 Linearizzazione delle equazioni di Lagrange nell’intorno di una soluzione statica di un sistema scleronomo posizionale e conservativo (approssimazione di Taylor al primo ordine); equazioni linearizzate ottenute approssimando la lagrangiana con un polinomio di Taylor al secondo ordine nell’intorno della soluzione statica, lagrangiana del sistema linearizzato; equivalenza dei due metodi di linearizzazione delle equazioni di Lagrange. Prova del teorema di inversione parziale di Lagrange-Dirichlet e sua estensione (traccia della dimostrazione per riduzione all'analisi lineare): le equazioni linearizzate come sistema omogeneo del primo ordine in forma normale, problema agli autovalori per la matrice di rappresentazione D, riduzione al problema agli autovalori generalizzato, autovalori e autovettori generalizzati, relazione fra gli autovalori di D e gli autovalori generalizzati (salvo il caso dell’autovalore 0), radice quadrata aritmetica della matrice dell’energia cinetica A(q0), prova che gli autovalori generalizzati sono tutti reali, matrici congruenti e teorema di Sylvester (enunciato), prova che gli autovalori generalizzati coincidono in segno con quelli della matrice hessiana del potenziale U, prova del teorema di inversione parziale come applicazione del teorema di analisi lineare. ------------------------------------------------------------------------------------- mar 20.05.2014 (1 ora) 16:30-17:30 T2 Registrato su ESSE3 Osservazione circa l’impossibilità di applicare il teorema di analisi lineare nei massimi relativi propri del potenziale per un sistema scleronomo posizionale conservativo (autovalori di D nulli o immaginari puri). Osservazione sulla estensione del teorema di inversione parziale di Lagrange-Dirichlet in presenza di sollecitazioni non posizionali conservative, purchè queste non diano alcun contributo alle equazioni linearizzate. 19. Piccole oscillazioni Significato fisico delle equazioni di Lagrange linearizzate nel caso di un equilibrio stabile (approssimazione utile a tempi lunghi) e nel caso di equilibrio instabile (approssimazione utile solo per tempi molto brevi).

Piccole oscillazioni di un sistema olonomo nell'intorno di una configurazione di equilibrio stabile nel caso che l’hessiana del potenziale sia definita negativa: coordinate normali, equazioni linearizzate nelle coordinate normali, soluzione generale, pulsazioni normali, frequenze normali, modi normali, rappresentazione della soluzione generale come combinazione lineare di modi normali. Osservazione sul caso in cui la matrice hessiana del potenziale è solo semidefinita non definita negativa: modi non oscillatori. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 21.05.2014 (1 ora) 14:30-15:30 T2 Registrato su ESSE3 Interpretazione fisica dei modi normali nelle coordinate lagrangiane iniziali, equazione caratteristica per i modi normali, calcolo di pulsazioni e modi normali. Principio di ortogonalità. Uso del principio di ortogonalità per determinare la trasformazione fra le coordinate lagrangiane e le coordinate normali. Osservazione sulla rilevanza delle pulsazioni normali nel determinare le condizioni di risonanza di un sistema soggetto ad una forzante esterna (discussione qualitativa). ------------------------------------------------------------------------------------- mer 21.05.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 Lezione svolta da Stefano Siboni Esempio di determinazione degli equilibri, analisi della stabilità e studio delle piccole oscillazioni in un sistema scleronomo a due gradi di libertà e vincoli bilaterali (pendolo doppio costituito da due punti materiali di uguale massa posti alla stessa distanza). ------------------------------------------------------------------------------------- gio 22.05.2014 (2 ore) 8:30-10:30 T2 Da non registrare su ESSE3 Lezione svolta da Giorgio Pavana Esercizi sull’analisi di stabilità dell’equilibrio in sistemi scleronomi a uno e due gradi di libertà in presenza di sollecitazioni di potenza non positiva. Esercizi sullo studio delle piccole oscillazioni in sistemi scleronomi posizionali conservativi a due gradi di libertà: calcolo delle pulsazioni e delle frequenze normali, determinazione dei modi normali di oscillazione. ------------------------------------------------------------------------------------- lun 26.05.2014 (1 ora) 10:30-11:30 T2 Registrato su ESSE3 20. Sistemi continui Nozione di sistema continuo. Rappresentazione di un continuo (o di una sua porzione) in termini di coordinate materiali X. Moto di un continuo, coordinate spaziali x, relazione fra coordinate spaziali e materiali, x=x(t,X)=Φt(X). Requisiti di regolarità del moto di un continuo: (i) condizione di incompenetrabilità (iniettività di Φt e conseguente esistenza di Φt -1); (ii) condizioni di regolarità ( Φt e Φt -1 di classe C2 per ogni t fissato, x(t,X) C2 per ogni (t,X)); (iii) condizione sul volume (il determinante jacobiano in X del moto x(t,X) è non nullo per ogni (t,X)), con calcolo esplicito della relazione di trasformazione dei volumi infinitesimi, osservazione sul segno costante del determinante jacobiano, osservazione sul fatto che le condizioni (i) e (ii) implicano in effetti la condizione (iii). ------------------------------------------------------------------------------------- lun 26.05.2014 (1 ora) 11:30-12:30 T2 Registrato su ESSE3 Rappresentazione lagrangiana ed euleriana delle grandezze meccaniche (e termodinamiche) puntuali relative ad un continuo: rappresentazione euleriana g(t,x) e sua interpretazione fisica; rappresentazione lagrangiana G(t,X) e sua interpretazione fisica;

relazioni fra le rappresentazioni lagrangiana ed euleriana di una grandezza, in termini del moto del continuo. Velocità istantanea in rappresentazione lagrangiana ed euleriana. Derivata materiale di una grandezza puntuale: in rappresentazione lagrangiana (derivata parziale rispetto al tempo); in rappresentazione euleriana. Derivata locale (rispetto al tempo) di una grandezza espressa in forma euleriana. Convenzione di somma sugli indici ripetuti (o di Einstein). ------------------------------------------------------------------------------------- mar 27.05.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 Definizione di densità volumica di massa (in forma euleriana) e sua giustificazione fisica, massa di una porzione di continuo in rappresentazione euleriana. Legge di conservazione della massa e relativa caratterizzazione integrale in rappresentazione euleriana (metodo del volume materiale), enunciato del teorema di Eulero per la derivata in t del deteterminante jacobiano, equazione di continuità. Varie forme alternative dell’equazione di continuità. Derivazione alternativa dell’equazione di continuità, secondo il punto di vista euleriano (metodo del volume di controllo): massa di un volume di controllo fissato nello spazio, flusso di massa attraverso la superficie che delimita tale volume (con sua giustificazione fisica), bilancio di massa. ------------------------------------------------------------------------------------- mar 27.05.2014 (1 ora) 16:30-17:30 T2 Registrato su ESSE3 Prova del teorema di Eulero per la derivata in t del determinante jacobiano. Applicazione generale del teorema di Eulero: il teorema del trasporto o di Reynolds. Forma particolare del teorema del trasporto. Moti isocori e continui incomprimibili: condizione di incomprimibilità (solenoidalità del campo euleriano di velocità), condizione equivalente sulla densità (derivata materiale della densità nulla), interpretazione della condizione in rappresentazione lagrangiana. Osservazione sul fatto che un continuo di densità costante è sempre incomprimibile, ma non viceversa (controesempio dei sistemi di più liquidi immiscibili). ------------------------------------------------------------------------------------- mer 28.05.2014 (1 ora) 14:30-15:30 T2 Registrato su ESSE3 Lezione svolta da Stefano Siboni Esercizio sul calcolo delle componenti generalizzate delle forze attive, degli equilibri e delle proprietà di stabilità degli equilibri per un sistema scleronomo a due gradi di libertà soggetto a forze posizionali conservative, a forze dissipative e a un sistema di forze di risultante e momento risultante assegnati agente su un elemento rigido in moto piano. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 28.05.2014 (1 ora) 15:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 Lezione svolta da Stefano Siboni Esercizio sulla teoria canonica delle piccole oscillazioni: determinazione delle equazioni linearizzate del moto, calcolo delle pulsazioni normali e determinazione dei modi normali di oscillazione. ------------------------------------------------------------------------------------- gio 29.05.2014 (1 ora) 8:30-9:30 T2 Registrato su ESSE3 Definizione delle densità volumiche delle grandezze dinamiche fondamentali e giustificazione euristica della loro introduzione: quantità di moto; momento angolare (densità di momento angolare intrinseco nulla, continui di Cauchy, cenno ai continui polari di Cosserat). Forze agenti su un continuo o su una porzione di esso: forze di volume, densità volumica delle forze di volume; forze di superficie, densità superficiale delle forze di superficie (sforzo).

Equazione cardinale della quantità di moto in forma integrale (equazione di bilancio della quantità di moto) e sua riduzione per mezzo del teorema del trasporto. Teorema degli sforzi di Cauchy. ------------------------------------------------------------------------------------- gio 29.05.2014 (1 ora) 9:30-10:30 T2 Registrato su ESSE3 Tensore degli sforzi di Cauchy. Equazione cardinale della quantità di moto in forma locale (o differenziale). Equazione cardinale del momento angolare e sua forma locale, simmetria del tensore degli sforzi di Cauchy. Cenno all’equazione costitutiva dei fluidi perfetti (o non viscosi). ------------------------------------------------------------------------------------- mar 03.06.2014 (2 ore) 15:30-17:30 T2 Registrato su ESSE3 Lezione svolta da Stefano Siboni Esercizio sulla determinazione degli equilibri ordinari, lo studio delle proprietà di stabilità di questi e la determinazione delle equazioni lagrangiane del moto per un sistema scleronomo a due gradi di libertà e vincoli bilaterali ideali, soggetto a sollecitazioni posizionali conservative e completamente dissipative. Calcolo di pulsazioni normali e modi normali delle piccole oscillazioni nel caso che le sollecitazioni dissipative siano poste uguali a zero. ------------------------------------------------------------------------------------- mer 04.06.2014 (2 ore) 14:30-16:30 T2 Registrato su ESSE3 Lezione svolta da Stefano Siboni Esercizio sulla determinazione degli equilibri ordinari, lo studio delle proprietà di stabilità di questi e la determinazione delle equazioni lagrangiane del moto per un sistema scleronomo ad un grado di libertà e vincoli bilaterali ideali, soggetto a sollecitazioni posizionali conservative e completamente dissipative. Calcolo di pulsazioni normali e modi normali delle piccole oscillazioni nel caso che le sollecitazioni dissipative siano poste uguali a zero. Esercizio sulla determinazione dei punti fissi e lo studio delle proprietà di stabilità degli stessi in un sistema di due equazioni differenziali del primo ordine nel piano, uso del teorema di analisi lineare della stabilità. Esercizio sul calcolo degli equilibri in un sistema scleronomo posizionale conservativo posto in una terna di riferimento rotante. ------------------------------------------------------------------------------------- Ore svolte: teoria: 67 esercitazioni: 12+15 Totale: 94