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Esercizi di Fisica Generale A

(Meccanica e Temodinamica)

prof. Domenico Galli, dott. Daniele Gregori,

dott. Alessandro Tronconi

21 febbraio 2012

I compiti scritti di esame del prof. D. Galli propongono 3 esercizi, sorteggiati —individualmente per ogni studente — da questa lista, nella versione disponibile sulWeb 15 giorni prima della data della prova scritta.

Il “punteggio” riportato a fianco di ogni esercizio è calcolato sulla base di tuttii precedenti risultati su tale esercizio nelle prove di esame, in modo da rendereil secondo terzile della distribuzione dei voti, su ogni singolo esercizio, pari a 3/3. Inaltre parole il punteggio assegnato al singolo esercizio è tale da assicurare che un terzodegli studenti che hanno affrontato l’esercizio ottenga la massima valutazione.

I “punteggi” degli esercizi riportati in questa lista sono indicativi. Essi si mo-

dificano dinamicamente a ogni appello di esame, in modo da divenire una va-lutazione sempre più precisa dell’effettiva difficoltà dell’esercizio (all’aumentare dellastatistica sperimentale l’errore di misura diminuisce).

1 Calcolo vettoriale

1. v_op_01 (Punteggio: 3.00)Dati i vettori ~v1 =

Ä

+ 2kä

m, ~v2 =Ä

−+ 3kä

m e ~v3 =Ä

ξı+ 7− kä

m, dove

ı, e k sono i 3 versori ortonormali diretti rispettivamente come gli assi x, y e zdi una terna cartesiana di riferimento, determinare il volume del parallelepipedodi cui i 3 vettori formano gli spigoli che spiccano dall’origine O del sistema dicoordinate.

Volume[

m3]

:

Risultato (ξ = 500): 2.50×103.

2. v_op_02 (Punteggio: 3.00)Due vettori, di norma rispettivamente ‖~a‖ = 2 e ‖~b‖ = 4, posti con l’originecoincidente, formano tra loro un angolo di θ = π

1000 ξ rad. Trovare la norma del

vettore ~c = ~a+~b. Trovare inoltre l’angolo ϕ (espresso in radianti) compreso trai vettori ~a e ~c (posto ~c con l’origine coincidente con l’origine comune di ~a e ~b).

‖~c‖:

ϕ [rad]:

j

q

cr

bra

r

Esercizio v_op_02, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 4.47, 1.11.

1

3. v_op_03 (Punteggio: 3.00)Due vettori, di norma rispettivamente ‖~a‖ = 2 e ‖~b‖ = 4, posti con l’originecoincidente, formano tra loro un angolo di θ = π

1000 ξ rad. Trovare la norma del

vettore ~c = ~a−~b. Trovare inoltre l’angolo ϕ (espresso in radianti) compreso trai vettori ~a e ~c (posto ~c con l’origine coincidente con l’origine comune di ~a e ~b).

‖~c‖:

ϕ [rad]:j q

cr

br

ar

Esercizio v_op_03, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 4.47, 1.11.

4. v_dv_01 (Punteggio: 3.00)È dato il campo vettoriale ~V (x, y, z) = − 1

2x2 ı + xy + xyz k. Determinare

il valore della divergenza del campo vettoriale ~V nel punto P di coordinatecartesiane (2, ξ, 3).

DivergenzaÄ

~∇ · ~Vä

(2, ξ, 3) [numero puro]:

Risultato (ξ = 500): 1.00×103.

5. v_dv_02 (Punteggio: 3.00)È dato il campo vettoriale ~V (x, y, z) = − 1

2x2y ı + xy − xyz2 k. Determinare

il valore della divergenza del campo vettoriale ~V nel punto P di coordinatecartesiane (2, ξ, 3).

DivergenzaÄ

~∇ · ~Vä

(2, ξ, 3) [numero puro]:

Risultato (ξ = 500): −7.00×103.

6. v_dv_03 (Punteggio: 3.00)È dato il campo vettoriale ~V (x, y, z) = zı−xyz+3xz2k. Determinare il valoredella divergenza del campo vettoriale ~V nel punto P di coordinate cartesiane(

17 , ξ, ξ

)

.

DivergenzaÄ

~∇ · ~Vä

( 17 , ξ, ξ) [numero puro]:

Risultato (ξ = 500): 3.57×102.

7. v_dv_04 (Punteggio: 3.00)È dato il campo scalare f (x, y, z) = x2 + xyz. Determinare i valori delle com-ponenti cartesiane del gradiente del campo scalare f nel punto P di coordinatecartesiane (ξ, 2, 3).

Componente x del gradienteÄ

~∇fä

x(ξ, 2, 3) [numero puro]:

Componente y del gradienteÄ

~∇fä

y(ξ, 2, 3) [numero puro]:

Componente z del gradienteÄ

~∇fä

z(ξ, 2, 3) [numero puro]:

Risultato (ξ = 500): 1.01×103, 1.50×103, 1.00×103.

2

8. v_dv_05 (Punteggio: 3.00)È dato il campo scalare f (x, y, z) = x2y + y2z. Determinare i valori delle com-ponenti cartesiane del gradiente del campo scalare f nel punto P di coordinare(

3, ξ, 13

)

.


~∇fä

x

(

3, ξ, 13

)

[numero puro]:


~∇fä

y

(

3, ξ, 13

)

[numero puro]:


~∇fä

z

(

3, ξ, 13

)

[numero puro]:

Risultato (ξ = 500): 3.00×103, 3.42×102, 2.50×105.

9. v_dv_06 (Punteggio: 3.00)È dato il campo scalare f (x, y, z) = 1

2x2y2z. Determinare i valori delle com-

ponenti cartesiane del gradiente del campo scalare f nel punto P di coordinatecartesiane

(

ξ, 12 ,

15

)

.


~∇fä

x

(

ξ, 12 ,

15

)

[numero puro]:


~∇fä

y

(

ξ, 12 ,

15

)

[numero puro]:


~∇fä

z

(

ξ, 12 ,

15

)

[numero puro]:

Risultato (ξ = 500): 2.50×101, 2.50×104, 3.12×104.

10. v_dv_07 (Punteggio: 3.00)È dato il campo vettoriale ~V (x, y, z) = 3xı + xyz + xk. Determinare i valoridelle componenti cartesiane del rotore del campo vettoriale ~V nel punto P dicoordinate cartesiane

(

14 , ξ,

15ξ

)

.

Componente x del rotoreÄ

~∇∧ ~Vä

x

(

14 , ξ,

15ξ

)

[numero puro]:

Componente y del rotoreÄ

~∇∧ ~Vä

y

(

14 , ξ,

15ξ

)

[numero puro]:

Componente z del rotoreÄ

~∇∧ ~Vä

z

(

14 , ξ,

15ξ

)

[numero puro]:

Risultato (ξ = 500): −1.25×102, −1.00, +5.00×104.

11. v_dv_08 (Punteggio: 3.00)È dato il campo vettoriale ~V (x, y, z) = 2

3x2y2 ı + xyz − x3k. Determinare i

valori delle componenti cartesiane del rotore del campo vettoriale ~V nel puntoP di coordinate cartesiane

(

ξ, 14 , 4000

)

.


~∇∧ ~Vä

x

(

ξ, 14 , 4000

)

[numero puro]:


~∇∧ ~Vä

y

(

ξ, 14 , 4000

)

[numero puro]:


~∇∧ ~Vä

z

(

ξ, 14 , 4000

)

[numero puro]:

Risultato (ξ = 500): −1.25×102, +7.50×105, −8.23×104.

3

12. v_dv_09 (Punteggio: 3.00)È dato il campo vettoriale ~V (x, y, z) = xyı− yz+3x2yk. Determinare i valoridelle componenti cartesiane del rotore del campo vettoriale ~V nel punto P dicoordinate cartesiane

(

ξ, 13ξ, ξ

)

.


~∇∧ ~Vä

x

(

ξ, 13ξ, ξ

)

[numero puro]:


~∇∧ ~Vä

y

(

ξ, 13ξ, ξ

)

[numero puro]:


~∇∧ ~Vä

z

(

ξ, 13ξ, ξ

)

[numero puro]:

Risultato (ξ = 500): +7.50×105, −5.00×105, −5.00×102.

4

2 Cinematica

13. k_pm_01 (Punteggio: 3.00)Dato un punto materiale che si muove con velocità ~v(t) = Aı + Bt2, doveA = 1

10 ξm/s e B = 0.2 m/s3, trovare il raggio di curvatura della traiettoria altempo t = 1 s.

Raggio di curvatura [m]:

Risultato (ξ = 500): 6.25×103.

14. k_pm_02 (Punteggio: 4.00)Un punto materiale si muove lungo una guida circolare di raggio r = 3 m, con lacomponente intrinseca s dell’accelerazione costante (essendo s lo spostamentolungo la guida). In un certo istante t1, l’accelerazione ~a del punto materialeforma un angolo α (t1) =

π2000 ξ rad con la direzione v della velocità e la norma

della velocità è pari a ‖~v (t1) ‖ = 10 m/s. Di quanto aumenta, in mezzo secondo,la norma della velocità? Quanto vale, all’istante t1, la norma dell’accelerazione?

∆‖~v‖ [m/s]:

‖~a (t1) ‖[

m/s2]

:

O

r

a

r

v

ar

Esercizio k_pm_02, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 1.67×101, 4.71×101.

15. k_pm_03 (Punteggio: 5.14)Un punto materiale si muove lungo una guida circolare di raggio r = 3 m, con lacomponente intrinseca s dell’accelerazione costante (essendo s lo spostamentolungo la guida). In un certo istante t1, l’accelerazione ~a del punto materialeforma un angolo α (t1) = π

2000 ξ rad con la direzione radiale centripeta n ela norma della velocità è pari a ‖~v (t1) ‖ = 10 m/s. Di quanto aumenta, inmezzo secondo, la norma della velocità? Quanto vale, all’istante t1, la normadell’accelerazione?

∆‖~v‖ [m/s]:

‖~a (t1) ‖[

m/s2]

:

O

ra

r

var

Esercizio k_pm_03, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 1.67×101, 4.71×101.

16. k_pm_04 (Punteggio: 3.00)Un punto materiale è vincolato a una guida circolare di raggio r = 4 m, su cuipuò scorrere senza attrito. Esso si muove secondo la legge oraria s(t) = kt3, conk = 1

200 ξ m/s3. Calcolare la componente tangenziale e la componente normaledell’accelerazione nell’istante t = 2 s.

Componente tangenziale dell’accelerazione at[

m/s2]

:

Componente normale dell’accelerazione an[

m/s2]

:

Risultato (ξ = 500): 3.00×101, 2.25×102.

5


200 ξ m/s2. Calcolare la componente tangenziale e la componente normaledell’accelerazione nell’istante t = 2 s.


m/s2]

:


m/s2]

:

Risultato (ξ = 500): 5.00, 2.50×101.


200 ξ m/s4. Calcolare la componente tangenziale e la componente normaledell’accelerazione nell’istante t = 2 s


m/s2]

:


m/s2]

:

Risultato (ξ = 500): 1.20×102, 1.60×103.

19. k_pm_07 (Punteggio: 3.00)Un dardo viene lanciato orizzontalmente nella direzione del centro A di unbersaglio, alla velocità v0 = 20 m/s. Dopo un tempo t1 = 1

100

√ξ s, esso si

conficca nel punto B, situato sotto il centro A. Quanto vale la distanza AB?Quanto dista il lanciatore dal bersaglio? Si trascuri la resistenza dell’aria.

Distanza AB [cm]:

Distanza del lanciatore dal bersaglio [m]:

A

B

Esercizio k_pm_07, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 2.45×101, 4.47.

20. k_pm_08 (Punteggio: 6.00)In una predefinita terna cartesiana ortogonale, di versori ı, e k, un puntomateriale si muove con velocità ~v (t) = 3c1t

3 ı + 5c2t , dove c1 = ξ m/s4 ec2 = 0.2 m/s2. Trovare il raggio di curvatura della traiettoria nella posizione incui si trova il punto materiale al tempo t = 1 s.


Risultato (ξ = 500): 1.13×106.

21. k_pm_09 (Punteggio: 3.00)Un punto materiale è vincolato a muoversi su di una guida rettilinea. Al tempot = 0 il punto materiale si trova in quiete. Se il punto accelera con accelerazionea (t) = kt2, dove k = 1

1000 ξ m/s4, trovare la velocità raggiunta e lo spaziopercorso al tempo t = 1

50 ξ s.

Velocità raggiunta [m/s]:

Spazio percorso [m]:

Risultato (ξ = 500): 1.67×102, 4.17×102.

6

22. k_pm_10 (Punteggio: 3.00)Un punto materiale viene lanciato dalla superficie terrestre con velocità v0 =100 m/s, a un angolo θ = 9

100ξ rispetto alla verticale. Calcolare il raggio di

curvatura del punto materiale subito dopo il lancio.


q v0

r

Esercizio k_pm_10, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 1.44×103.

23. k_pm_11 (Punteggio: 3.00)Un grave si trova a un certo istante alla quota h = 210 m rispetto alla superficieterrestre, con velocità di modulo v0 = 50 m/s e direzione che forma un angoloα = 9

100 ξ rispetto alla verticale discendente (vedi figura). Calcolare il raggio

di curvatura della traiettoria in tale istante.


hα

v0


24. k_pm_12 (Punteggio: 3.00)Un punto materiale si muove in un piano seguendo la legge oraria s (t) = kt2,con k = 2.00 m/s2. Trovare il raggio di curvatura della traiettoria al tempot = ξ s, se il modulo dell’accelerazione cresce con il tempo, secondo la legge:

a (t) = 2k»

1 +(

tT

)4, con T = 1

100 ξ s.


Risultato (ξ = 500): 1.00×102.

25. k_pm_13 (Punteggio: 5.08)Un punto materiale si muove su di un piano. A partire da un certo istante lenorme della velocità e dell’accelerazione diminuiscono con il tempo secondo leleggi: v (t) = L

t+Te a (t) = kL

(t+T )2, dove L = ξ m, T = 2 s e k = 1 + 1000

ξ

(numero puro). Trovare: (a) lo spostamento del punto materiale, misuratolungo la traiettoria, dopo ξ s; (b) il raggio di curvatura della traiettoria, dopoξ s.

Spostamento lungo la traiettoria [m]:


Risultato (ξ = 500): 2.76×103, 1.77×102.

26. k_pm_14 (Punteggio: 3.00)Un punto materiale A si muove di moto rettilineo uniforme, con velocità di mo-dulo v ≡ v0 = 1

100 ξ m/s, lungo la retta y ≡ d, con d = 50 m. Un secondo puntomateriale B parte dall’origine, nello stesso istante in cui il punto materiale Aattraversa l’asse y, lungo una retta che forma un angolo θ con l’asse y (vedi figu-ra), con velocità nulla e accelerazione costante, di modulo a ≡ a0 = 0.40 m/s2.Per quale angolo θ i due punti materiali collidono?

Angolo θ []:q

d

A

B

y

O

vr

ar

x

Esercizio k_pm_14, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 69.46.

7

27. k_pm_15 (Punteggio: 3.53)Il vettore posizionale di un punto materiale mobile P (t) è dato, in funzione del

tempo, dall’espressione vettoriale: P (t)−O = ~r (t) = αt3

3ı+β

t2√2+γ (t− t1) k,

dove α = 1 m/s3, β = 1 m/s2, γ = 1 m/s e t1 = 2100 ξ s. Determinare la distanza

∆s percorsa dal punto materiale lungo la traiettoria nell’intervallo di tempo[0, t1].

Distanza ∆s lungo la traiettoria [m]:

Risultato (ξ = 500): 3.43×102.

28. k_pm_16 (Punteggio: 3.00)Un disco in quiete, all’istante t = 0 inizia a ruotare attorno al proprio asse,con accelerazione angolare costante pari a ω = 2 rad/s2. Determinare la normadell’accelerazione ‖~a‖ di un punto P situato sul disco, a distanza r = 5 mdall’asse, nell’istante t = 1

10 ξ s.

Norma ‖~a‖ dell’accelerazione del punto P[

m/s2]

:

Risultato (ξ = 500): 5.00×104.

29. k_pm_17 (Punteggio: 3.00)

Il vettore posizionale ~r (t) =−−−−−−→P (t)−O di un punto materiale in moto P (t) si

modifica nel tempo secondo la legge ~r (t) = C1t3 ı+C2t

2, essendo C1 = 1 m/s3 eC2 = ξ m/s2. Calcolare il raggio di curvatura della traiettoria al tempo t = 2 s.

Raggio di curvatura ρ [m]:

Risultato (ξ = 500): 6.67×105.

30. k_pm_18 (Punteggio: 4.97)Un punto materiale si trova sul ciglio di una parete alta h0 = 150 m. A distanzaD da tale parete si trova una seconda parete, alta hf = 50 m (vedi figura). Ilpunto materiale viene lanciato con alzo θ = 0.5 rad e velocità iniziale v0 =1

100 ξ m/s e raggiunge esattamente il ciglio della parete opposta. Determinarela distanza D fra le due pareti.

Distanza [m]:


31. k_pm_19 (Punteggio: 6.00)Si consideri la traiettoria di un punto P , situato sul bordo di un disco di raggioR, il quale ruota intorno al proprio centro C con velocità angolare ω e trasla

parallelamente al suolo con velocità ~v di norma pari a ‖~v‖ =(»

500+ξ3000 − 1

)

ωR.

Determinare il rapporto ρR

essendo ρ il raggio di curvatura della traiettoria delpunto P quando è massima la sua distanza dal suolo.

Rapporto ρR

[ adimensionale ]:

ω

v

P

Esercizio k_pm_19, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 3.33×10−1.

8

3 Statica

32. s_ec_01 (Punteggio: 3.00)Una scala a pioli, il cui peso è distribuito uniformemente lungo tutta la sua lun-ghezza, poggia con un’estremità su di un piano orizzontale scabro (coefficientedi attrito statico f = 1

1000 ξ) e con l’altra contro una parete verticale liscia (inassenza di attrito). Si determini l’angolo di minima inclinazione θmin che lascala può formare con il piano orizzontale senza scivolare.

Angolo di minima inclinazione []:

Esercizio s_ec_01, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 45.0.

33. s_ec_02 (Punteggio: 3.00)Una scala a pioli, il cui peso è distribuito uniformemente lungo tutta la sualunghezza, poggia con un’estremità su di un piano orizzontale scabro (con coef-ficiente di attrito statico f = 1

1000 ξ) e con l’altra contro una parete verticaleanch’essa scabra (con il medesimo coefficiente di attrito statico f = 1

1000 ξ). Sidetermini l’angolo di minima inclinazione θmin che la scala può formare con ilpiano orizzontale senza scivolare.



34. s_ec_03 (Punteggio: 3.00)Una scala a pioli, il cui peso è distribuito uniformemente lungo tutta la sualunghezza, poggia con un’estremità su di un piano orizzontale scabro (con coef-ficiente di attrito statico f = 1

1000 ξ) e con l’altra contro una parete verticaleanch’essa scabra (con coefficiente di attrito statico f = 0.2). Si determini l’an-golo di minima inclinazione θmin che la scala può formare con il piano orizzontalesenza scivolare.



35. s_ec_04 (Punteggio: 3.00)Un’asta omogenea, di peso p = ξ

10 N (vedi figura), è appoggiata su due supportiA e B, distanti, dal baricentro G dell’asta, rispettivamente a = 1.1 m e b =

ξ1000 m. Calcolare la forza d’appoggio dell’asta sul supporto A.

Forza d’appoggio sul supporto A [N]:

G

A Ba b

Esercizio s_ec_04, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 1.56×101.

9

36. s_ec_05 (Punteggio: 3.00)Una sbarra rigida di peso trascurabile e lunghezza pari a l = 30 cm è sospesaal soffitto tramite due cavi inestensibili (vedi figura), entrambi di lunghezzah = 20 cm e peso trascurabile, applicati alla sbarra a distanze (misurate a partiredall’estremo sinistro) pari rispettivamente ad a1 = 0 e a2 = 2

3 l. Alla sbarra sonoinoltre appese tre massette di peso p1 = 1

500 ξ N, p2 = 5 N e p3 = 10−6ξ2 Na distanze rispettivamente di b1 = 1

3 l, b2 = 23 l e b3 = l (misurate a partire

dall’estremo sinistro della sbarra). Determinare, nelle condizioni di equilibriostatico, le tensioni dei due cavi.

Tensione del cavo sinistro T1 [N]:

Tensione del cavo destro T2 [N]:

T1

p1

p2

p3

T2

r

r

r

r

r

Esercizio s_ec_05, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 3.75×10−1, 5.88.

37. s_ec_06 (Punteggio: 4.50)Una massa M = 1

500 ξ kg è sorretta dal sistema di carrucole illustrato nellafigura. A equilibrare tale massa contribuiscono una molla di costante elasticak = 1

1000 ξ2 N/m e una massa m = 3× 10−6ξ2 kg appoggiata su di un piano

inclinato di un angolo α = π6 rad rispetto al piano orizzontale con attrito trascu-

rabile. Determinare, nelle condizioni di equilibrio statico: (a) l’intensità T dellareazione vincolare ~T del soffitto; (b) la deformazione δl della molla (utilizzan-do il segno positivo per l’allungamento e il segno negativo per la contrazione);(c) l’intensità R della reazione vincolare ~R esercitata dal piano inclinato sullacarrucola fissa.

Intensità T della reazione vincolare del soffitto [N]:

Deformazione δl della molla [m]:

Intensità R della reazione vincolare del piano inclinato [N]:

Esercizio s_ec_06, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 4.90, 4.90×10−3, 8.49.

38. s_ec_07 (Punteggio: 3.00)Sia dato il sistema di carrucole di massa trascurabile mostrato in figura. Deter-minare la forza F necessaria per stabilizzare il sistema se la massa M ha pesop = ξ N. Se la forza stabilizzante ~F è diretta lungo la verticale verso terra,determinare inoltre la reazione vincolare R del soffitto.

Forza stabilizzante F [N]:

Reazione vincolare R del soffitto [N]:

Esercizio s_ec_07, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 1.67×102, 6.67×102.

39. s_ec_08 (Punteggio: 3.00)Sia dato il sistema di carrucole di massa trascurabile mostrato in figura. De-terminare la forza F necessaria per stabilizzare il sistema se la massa M hapeso p = ξ N. Determinare inoltre la reazione vincolare totale R del soffitto(N.B.: la carrucola più a sinistra nella figura è fissata a una parete, non appesaal soffitto).


Reazione vincolare totale R del soffitto [N]:

F

M


10

40. s_ec_09 (Punteggio: 3.00)Sia dato il sistema di carrucole di massa trascurabile mostrato in figura. Deter-minare la forza F necessaria per stabilizzare il sistema se la massa M ha pesop = ξ N. Se la forza stabilizzante ~F è diretta lungo la verticale verso terra,determinare inoltre la reazione vincolare totale R del soffitto.


Reazione vincolare totale R del soffitto [N]: F

M


41. s_ec_10 (Punteggio: 3.00)Un punto materiale di peso p = 1

10 ξN è fissato al soffitto tramite un cavoinestensibile di massa trascurabile e lunghezza r = 1 m e tramite una molla dilunghezza a riposo trascurabile (l0 = 0 m) e costante elastica k = 40 N/m (vedifigura). Cavo e molla sono entrambi fissati in un’estremità al soffitto (a distanzar l’uno dall’altro) e nell’altra al punto materiale. Calcolare, all’equilibrio, ladistanza d del punto dal soffitto.

Distanza d del punto dal soffitto [m]:

r

r

p

k

Esercizio s_ec_10, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 7.81×10−1.

42. s_ec_11 (Punteggio: 3.00)Un punto materiale di peso p = 1

200 ξ N è situato all’estremità di una sbarrettaindeformabile, di peso trascurabile e lunghezza r = 0.1 m (vedi figura). L’estre-mità opposta della sbarra è incernierata in O a una parete verticale in modotale che la sbarra stessa si possa muovere soltanto in senso verticale. A unadistanza h = 0.2 m da O, verticalmente sopra al punto, è fissato l’estremo diuna molla, di costante elastica pari a k = 50 N/m e lunghezza a riposo paria l0 = 0.1 m. La molla è fissata al punto materiale nel suo estremo opposto.Determinare, all’equilibrio statico, l’allungamento ∆l della molla.

Allungamento ∆l della molla [m]: O

r

p

k

h

Esercizio s_ec_11, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 3.33×10−2.

43. s_ec_12 (Punteggio: 3.00)Sia dato il sistema meccanico rappresentato nella figura (verricello semplice)costituito da un disco omogeneo di massa M dotato di due scanalature, postea distanza r1 e r2 = r1(2 + 10−2ξ) dall’asse del disco (con r1 < r2), all’internodelle quali può essere avvolto un filo. Nell’ipotesi in cui una massa m sia sospesaa un filo inestensibile di massa trascurabile passante nella scanalatura esterna eil dispositivo sia sospeso a sua volta mediante un filo inestensibile di massa tra-scurabile avvolto nella scanalatura interna, determinare il rapporto delle masseρ = M

maffinché il disco sia in equilibrio.

Rapporto ρ = Mm

[adimensionale]:


11

4 Dinamica

44. d_pm_01 (Punteggio: 3.00)Calcolare la velocità di fuga da un pianeta di massa M = 1024 kg e raggioR =

(

ξ2 × 104)

m.

Velocità di fuga [m/s]:

Risultato (ξ = 500): 2.31×102.

45. d_pm_02 (Punteggio: 6.00)(a) Attorno a un pianeta, di massa M = 1024 kg, è posto, in un’orbita circolaredi raggio r1, un satellite di massa m = 100 kg. Sapendo che il satellite ha unperiodo di rivoluzione attorno al pianeta pari a T1 = ξ h, determinare l’energiatotale del satellite (considerando nulla l’energia potenziale a distanza infinitadal pianeta). (b) A un certo punto si azionano i motori e il satellite passa sudi un’altra orbita circolare con distanza dal centro del pianeta pari a r2 = 2

3 r1.Quanto vale il nuovo periodo di rivoluzione T2?

Energia totale [J]:

Nuovo periodo [s]:

Risultato (ξ = 500): −1.89×107, 9.80×105.

46. d_pm_03 (Punteggio: 6.00)Un cubetto, di massa m = 1 g, è posto all’interno di un imbuto che ruotaattorno al proprio asse, disposto verticalmente (vedi figura), con frequenza paria ν s−1 (cioè ν giri/s). Le pareti dell’imbuto sono inclinate di un angolo θ = 60

rispetto alla verticale, il coefficiente di attrito statico tra cubetto e imbuto è paria f = 1

1000 ξ e il centro del cubetto si trova a una distanza r = 5 cm dall’assedell’imbuto. Quali sono i valori minimo e massimo della frequenza di rotazioneν per i quali il cubetto non si muove rispetto all’imbuto?

Frequenza minima[

s−1]

:

Frequenza massima[

s−1]

:

Esercizio d_pm_03, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 5.46×10−1, 2.74.

47. d_pm_04 (Punteggio: 3.00)Un pacco pesante, di massa m = 80 kg, è trascinato su di un pavimento orizzon-tale mediante una fune, tesa a un angolo α = 1

2000 ξπ rad rispetto all’orizzontale.Il coefficiente di attrito dinamico tra pacco e pavimento è pari a µ = 0.4. (a)Quale forza deve essere esercitata sulla fune affinché il moto sia uniforme? (b)Quale forza deve essere esercitata sulla fune affinché il moto sia uniformementeaccelerato con accelerazione a = 2 m/s2?

Forza necessaria per il moto uniforme [N]:

Forza necessaria per il moto uniformemente accelerato [N]:

a

m

Esercizio d_pm_04, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 3.17×102, 4.79×102.

12

48. d_pm_05 (Punteggio: 6.00)Un punto materiale di massa m = 4 kg è vincolato a muoversi lungo una guidarettilinea orizzontale fissa. Al tempo t = 0 s il punto materiale ha velocitàv (0) = v0 = 1

10 ξ m/s. Il punto materiale è soggetto a una forza avente lastessa direzione della velocità, verso opposto e modulo proporzionale alla radicequadrata del modulo della velocità, essendo k = ξ m

12 kg s−

32 la costante di

proporzionalità. Trovare il tempo necessario affinché il punto si arresti e ladistanza percorsa dal punto

î

Si ricordi che´

dx√x= 2

√x+ C

ó

.

Tempo di arresto [s]:

Distanza percorsa [m]:

Risultato (ξ = 500): 1.13×10−1, 1.89.

49. d_pm_06 (Punteggio: 3.00)Un punto materiale di massa m = 2 kg partendo da fermo è sottoposto allaforza ~F = 3ct2 ı. Se il corpo passa per l’origine del sistema di coordinate altempo t = 2 s e posto c = 1 N/s2, determinare la posizione al tempo t = 1

50 ξ s.

Posizione [m]:

Risultato (ξ = 500): 1.25×103.

50. d_pm_07 (Punteggio: 3.00)Un razzo, di massa a vuoto pari a M0 = 20 kg, è rifornito con una quantità digas pari a Mg0 =

(

110 ξ + 10

)

kg. All’istante iniziale il razzo inizia a espellereil gas contenuto al suo interno verso il basso, con velocità costante vg, e rateocostante di massa espulsa per unità di tempo pari a k = 10 kg/s. Determinarela minima velocità di espulsione del gas vg affinché il razzo inizi a sollevarsi nelmomento in cui si accende il motore.

Velocità minima [m/s]:

Esercizio d_pm_07, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 7.85×101.

51. d_pm_08 (Punteggio: 3.00)Negli ultimi anni sono stati scoperti numerosi oggetti planetari oltre all’orbitadel pianeta Nettuno con caratteristiche fisiche comparabili a quelle del pianetanano Plutone. Supponendo che uno di tali pianetini abbia massa M = 10−6ξ2mp

e raggio R = rp, dove rp = 1150 km e mp = 1.3 · 1022 kg sono rispettivamente ilraggio e la massa e di Plutone, determinare la velocità di fuga dal pianetino.

Velocità di fuga [m/s]:

Risultato (ξ = 500): 6.14×102.

52. d_pm_09 (Punteggio: 4.95)Si vuole mettere un satellite artificiale, di massa msat = 120 kg, in orbita cir-colare attorno alla Terra, a una quota d = (40000 + 100 ξ) km sul livello delmare. Che velocità deve avere il satellite una volta raggiunta l’orbita? (Siprenda la massa della Terra pari a Mt = 6 · 1024 kg e il raggio terrestre pari aRt = 6350 km).

Velocità [m/s]:

Risultato (ξ = 500): 2.04×103.

13

53. d_pm_10 (Punteggio: 6.00)Un punto materiale è vincolato, da un filo inestensibile e di massa trascurabile,a percorrere su di un piano orizzontale una traiettoria circolare avente raggioR = 1 m. Il coefficiente di attrito dinamico con la superficie di appoggio èµ = 5 · 10−2(1 + 10−2ξ). All’istante iniziale la velocità del blocco (nel SdR cheha origine nel centro della traiettoria) è ~v0 =

√gR

(

1 + 10−2ξ)

m/s. Calcolare:(a) il modulo della velocità v1 quando il blocco ripassa per la prima volta per ilpunto di lancio; (b) il numero n di giri completi compiuti dal blocco al momentoin cui si arresta.

Velocità v1 [m/s]:

Numero giri completi [adimensionale]:

Risultato (ξ = 500): 1.78×101, 9.

54. d_pm_11 (Punteggio: 3.00)Una piattaforma circolare ruota con velocità angolare costante ω = 10 s−1 at-torno a un asse normale a essa, passante per il suo centro. Solidale con lapiattaforma, in direzione radiale, è fissata una guida priva di attrito sulla qualepuò scorrere una massa puntiforme m = 1 kg, a sua volta attaccata all’estremolibero di una molla di costante elastica k = 100

(

2 + 10−2ξ)

N/m e lunghezzaa riposo L = 1 m. L’altro estremo della molla è fissato all’asse di rotazionedella piattaforma. Determinare la deformazione ∆L della molla se la massapuntiforme ha velocità radiale nulla (si consideri la deformazione ∆L positivase la molla è allungata rispetto alla lunghezza a riposo, negativa se la molla èaccorciata).

Deformazione della molla ∆L [m]:

Esercizio d_pm_11, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 1.67×10−1.

55. d_pm_12 (Punteggio: 6.00)Un proiettile viene sparato con velocità ~v0 di modulo ‖~v0‖ = 2(1+10−2ξ) m/s indirezione orizzontale a un’altezza h dal suolo. Determinare quale debba essere ilrapporto ρ = ‖~v0‖

haffinché il proiettile raggiunga il suolo con il vettore velocità

inclinato di un angolo di 30 rispetto alla verticale.

Rapporto ρ = ‖~v0‖h

[

s−1]

:


56. d_pm_13 (Punteggio: 3.00)Uno sciatore si trova fermo nel punto mediano di un ponte avente raggio dicurvatura ρ = 2

(

1 + 10−2ξ)

m (vedi figura). Sia R(0)n il modulo della reazio-

ne vincolare che deve esercitare il ponte in queste condizioni. Determinare ilrapporto r = Rn

R(0)n

dove Rn è la reazione vincolare che deve esercitare il ponte

quando lo stesso sciatore transita per il suo punto mediano con moto uniformee velocità di modulo v =

(

1 + 10−2ξ)

m/s.

Rapporto r = Rn

R(0)n

[adimensionale]:


14

57. d_pm_14 (Punteggio: 6.00)La posizione iniziale di un pendolo — costituito da un filo inestensibile di massatrascurabile e lunghezza l cui è sospeso un punto materiale di massa m —forma un angolo α con la verticale. Determinare l’angolo α in modo che latensione del filo nel punto più basso della traiettoria sia, in modulo, pari a‖~R‖ = (2 + 10−3ξ)mg.

Angolo α []:

Risultato (ξ = 500): 7.55×101.

58. d_pm_15 (Punteggio: 3.00)Un punto materiale di massa m viene lanciato lungo il profilo rigido e liscio diraggio R = (1+10−2ξ) m mostrato in figura, con una velocità iniziale di modulov0 =

√

(3 + 10−3ξ) g R. Determinare in quale punto del profilo la reazionevincolare è nulla (si determini la quota h di tale punto da terra).

Quota h [m]:

Esercizio d_pm_15, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 9.00.

59. d_pm_16 (Punteggio: 3.00)Una sfera avente massa m = 0.7 kg cade da un’altezza h = (3 + ξ) m. Alladistanza di d = 3 m dal suolo viene frenata da una forza costante Ff finoa raggiungere il suolo con velocità nulla. Trascurando la resistenza dell’aria:(a) Calcolare l’intensità Ff della forza frenante; (b) calcolare l’intensità a(2)

dell’accelerazione durante la frenata.

Forza frenante Ff [N]:

Accelerazione durante la frenata a(2)[

m/s2]

:

Risultato (ξ = 500): 1.15×103, 1.63×103.

60. d_pm_17 (Punteggio: 6.00)Si consideri il sistema meccanico in figura, costituito di due blocchi di massa me M , in cui m = 1

2 M . Il blocco M si muove orizzontalmente con accelerazionecostante, di norma ‖~a‖ = 1

2 g. Sapendo che il coefficiente di attrito dinamicofra le superfici a contatto vale µ = 1

4 e che la tensione del cavo fissato a m ha

intensità pari a ‖~T‖ = 500+ξ1000 N, si determini l’intensità della forza ~F .

Intensità F della forza ~F [N]:M

F

Tm


61. d_pm_18 (Punteggio: 6.00)Un punto materiale di massa m è sospeso a un’asta verticale, mediante un filoinestensibile e di massa trascurabile, di lunghezza l = 100+ξ

200 m. Si calcoli conquale velocità v = ‖~v‖ il punto può ruotare attorno all’asta, su di una traiettoriacircolare di raggio R = 1

2 l, parallela a terra.

Velocità ‖~v‖ del punto materiale [m/s]:

l


15

62. d_pm_19 (Punteggio: 6.00)Una persona, di peso p = 800 N, si trova su di una bilancia pesapersone al-l’interno di un ascensore che si muove verso l’alto con accelerazione costante dinorma ‖~a0‖ = 100+ξ

4000 g. Se la bilancia è costruita come un dinamometro, oppor-tunamente tarato, che misura la deformazione di una molla ideale, qual è il pesodella persona indicato dalla bilancia all’interno dell’ascensore?

Peso p indicato dalla bilancia [N]:

a0

Esercizio d_pm_19, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 9.20×102.

63. d_pm_20 (Punteggio: 6.00)Un punto materiale P di massa m si muove in un piano verticale, appeso aun filo inestensibile, di massa trascurabile e lunghezza l, vincolato in un puntofisso O. Se il punto P , lanciato parallelamente al suolo, ha una velocità inizialedi norma maggiore di ‖~v(f)A ‖ = 500+ξ

200 m/s, esso raggiunge la quota massimadella traiettoria circolare in figura. Si determini la minima norma della velocità‖~v(s)A ‖ con cui deve essere lanciato, parallelamente al suolo, lo stesso punto mper raggiungere la quota massima della traiettoria nel caso in cui il filo vengasostituito da una sbarretta indeformabile, di densità uniforme, massa pari aM = 1

200 mξ e lunghezza l, libera di ruotare attorno a O.

Velocità minima ‖~vA‖ [m/s]:

O

l


64. d_pm_21 (Punteggio: 6.00)Un punto materiale P , di massa m = 10 g, si muove in un piano verticale, saldatoa un’asticella rigida, di massa trascurabile e lunghezza l = 20 cm, vincolata inun punto fisso O. Quando l’asticella è disposta in posizione verticale e il puntoP si trova ad altezza minima z0 = 0, mediante una forza impulsiva si imprimeal punto una velocità iniziale v0 = (150 + 1

5 ξ) cm/s. Determinare la quotamassima zM raggiunta dal punto P e la norma vM della velocità del punto Pnel momento in cui esso raggiunge la quota massima.

Quota massima zM [cm]:

Velocità alla quota massima vM [cm/s]:

O

l

Esercizio d_pm_21, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 3.19×101, 0.00.

65. d_pm_22 (Punteggio: 6.00)Un punto materiale P , di massa m = 10 g, si muove in un piano verticale, appesoa un filo, inestensibile ma flessibile, di massa trascurabile e lunghezza l = 20 cm,vincolato in un punto fisso O. Quando il filo è disposto in posizione verticalee il punto P si trova ad altezza minima z0 = 0, mediante una forza impulsivasi imprime al punto una velocità iniziale v0 = (150 + 1

5 ξ) cm/s. Determinarela quota massima zM raggiunta dal punto P e la norma vM della velocità delpunto P nel momento in cui esso raggiunge la quota massima.

Quota massima zM [cm]:

Velocità alla quota massima vM [cm/s]:

O

l

Esercizio d_pm_22, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 3.12×101, 3.48×101.

16

66. d_si_01 (Punteggio: 6.00)Un sistema binario è costituito da due stelle che si muovono su orbite circolari,a distanza rispettivamente d1 = 8 · 104 km e d2 = 6 · 105 km dal centro di rivo-luzione del sistema, con un periodo T = ξ giorni. Determinare le masse delledue stelle.

Massa della stella più massiva M1 [kg]:

Massa della stella meno massiva M2 [kg]:

Esercizio d_si_01, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 8.79×1022, +1.17×1022.

67. d_si_02 (Punteggio: 6.00)In astronomia, il termine galassia designa un sistema, legato dalla forza di gra-vità e costituito da stelle, gas interstellare, polveri e, probabilmente, da untipo di materia ancora sconosciuto — denominato materia oscura — in gradodi interagire soltanto gravitazionalmente e non osservabile direttamente tra-mite emissione elettromagnetica (mediante telescopi, radiotelescopi, ecc.). Sischematizzi la galassia nella figura con un nucleo sferico centrale (denominatobulge), omogeneo, di densità ρ = 10−25 g/cm3 (densità della materia ordinaria)e raggio R = 1 kpc, e un disco attorno a esso di massa trascurabile. Sapendoche è stata misurata la velocità di rotazione delle stelle (si ipotizzi un’orbitacircolare) e che, a una distanza r = 10 kpc dal centro, essa è risultata pari avs = (800 + 3ξ) m/s, si valuti il rapporto tra la massa totale M (materia oscu-ra + materia ordinaria) e la massa della sola materia ordinaria Mg affinché lagalassia sia un sistema stabile e non si disgreghi. [1pc = 3.08568025 · 1016 m].

Rapporto M/Mg [numero puro]:

Esercizio d_si_02, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 1.99.

68. d_mi_01 (Punteggio: 3.00)Un’asta rigida omogenea AB, di massa m = 4 kg e lunghezza l =

Ä

78 + ξ2

ä

cm,ruota attorno a un asse u, passante per l’estremo A e formante un angolo α = 30

con l’asta stessa. Calcolare il momento d’inerzia dell’asta rispetto a tale asse.

Momento d’inerzia[

kgm2]

:

Risultato (ξ = 500): 3.59.

69. d_mi_02 (Punteggio: 6.00)Una corona circolare omogenea, di densità superficiale σ = 1 kg/m2, con raggiointerno r1 = 1

3 ξ cm e raggio esterno r2 = ξ cm, ruota attorno al proprio assedi simmetria u. Sapendo che il sistema è isolato e che compie un giro ogni 3minuti, determinare la norma K del momento angolare ~K.

Momento angolare[

kgm2/s]

:

Risultato (ξ = 500): 3.38×101.

70. d_mi_03 (Punteggio: 6.00)La lastra rettangolare mostrata nella figura ha base l = 1

20 ξ m e altezza h =10 m. Inoltre, nel sistema di coordinate mostrato nella figura, la densità superfi-ciale di massa è data da σ (x, y) = c0+c1xy, dove c0 = 3 kg/m2 e c1 = 8 kg/m4.Determinare il momento d’inerzia rispetto all’asse delle ordinate.


kgm2]

:

y

x

h

l00

Esercizio d_mi_03, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 3.92×107.

17

71. d_mi_04 (Punteggio: 3.00)La lastra quadrata mostrata nella figura ha i lati lunghi L = 1

30 ξ cm. Inoltre,nel sistema di coordinate mostrato nella figura, la densità superficiale di massaè data da σ (x, y) = c0 + c1x, dove c0 = 2 kg/m2 e c1 = 4 kg/m3. Determinareil momento d’inerzia rispetto all’asse delle ascisse.


kgm2]

:

Esercizio d_mi_04, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 1.50×10−4.

72. d_mi_05 (Punteggio: 6.00)Dato il disco sottile e omogeneo di raggio R = ξ m e massa m = 200 g, mostratonella figura, calcolarne il momento d’inerzia rispetto a un suo diametro.


kgm2]

:


73. d_mi_06 (Punteggio: 3.00)Data la lastra a forma di triangolo rettangolo mostrata nella figura, omogeneae di massa m = ξ g, alta H = 10 cm e con l’angolo α = π

6 rad, determinarne ilmomento d’inerzia rispetto all’asse delle ascisse.


kgm2]

:


74. d_mi_07 (Punteggio: 6.00)La lastra quadrata mostrata nella figura ha i lati lunghi l = 1

30 ξ cm. Inoltre,nel sistema di coordinate mostrato nella figura, la densità superficiale di massaè data da σ (x, y) = c0 + c1y

2, dove c0 = 2 kg/m2 e c1 = 4 kg/m4. Determinareil momento d’inerzia della lastra rispetto all’asse delle ordinate.


kgm2]

:

y

xl

l/2

-l/2


75. d_mi_08 (Punteggio: 6.00)Il disco sottile mostrato nella figura ha raggio R = ξ m e densità superficialedi massa σ (r) = σ0 + cr, dove c = 5 kg/m3 e σ0 = 4 kg/m2. Determinare ilmomento d’inerzia del disco rispetto a un asse perpendicolare al disco e passanteper il centro del disco stesso.

momento d’inerzia[

kgm2]

:


76. d_cr_01 (Punteggio: 3.00)Uno yo-yo è costituito da un cilindro omogeneo scanalato, di raggio R = 7 cme massa m = 100 g (scanalatura di larghezza trascurabile), sulla cui gola, diraggio r =

(

2 + 1200 ξ

)

cm, è avvolto uno spago, fissato, all’altra estremità, alsoffitto. Calcolare l’accelerazione dello yo-yo.

Accelerazione[

m/s2]

:

Esercizio d_cr_01, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 4.44.

18

77. d_cr_02 (Punteggio: 6.00)Una palla da biliardo cava, di raggio r = 3 cm, massa m = 300 g e momento diinerzia rispetto a un asse passante per il centro pari a (0.4 + 0.0002× ξ)mr2, ècolpita centralmente con una stecca (asse della stecca passante per il centro dellapalla), acquistando in questo modo una velocità iniziale v0 = ξ

10 cm/s (motodi pura traslazione). Il coefficiente di attrito radente dinamico del biliardo èµ = 0.1, mentre l’attrito volvente è trascurabile. Calcolare (a) la velocità e (b)lo spostamento della palla nell’istante in cui essa smette di strisciare sul tavolo(cioè nell’istante in cui il moto diventa un moto di rotolamento puro).

Velocità [cm/s]:

Spostamento [cm]:0

r

v

Esercizio d_cr_02, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 3.33×101, 7.08.

78. d_cr_03 (Punteggio: 3.00)Un mattone di massa m = 1 kg scivola senza attrito lungo il piano inclinatodi un cuneo, di massa M = 2 kg e inclinazione α = 8

100 ξ. Il cuneo, a sua

volta, può muoversi senza attrito su di un piano orizzontale. Calcolare la normadell’accelerazione del cuneo.

Accelerazione[

m/s2]

:


79. d_cr_04 (Punteggio: 6.00)Un rullo cilindrico omogeneo, di massa m = 1 kg, rotola senza strisciare, conl’asse parallelo alle isoipse e in assenza di attrito volvente, lungo il piano inclinatodi un cuneo, di massa M = 2 kg e inclinazione α = 4

100 ξ. Il cuneo, a sua

volta, può muoversi senza attrito su di un piano orizzontale. Calcolare la normadell’accelerazione del cuneo.

Accelerazione[

m/s2]

:

Esercizio d_cr_04, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 8.71×10−1.

80. d_cr_07 (Punteggio: 3.00)Un rullo cilindrico omogeneo, di raggio r = 3 cm e massa m = 100 g, rotola senzastrisciare su di un piano orizzontale, soggetto all’azione della forza costante ~F ,di modulo pari a F = ξ N, parallela al piano orizzontale, applicata al centrodi massa del rullo e perpendicolare a al suo asse (vedi figura). Determinarel’accelerazione del centro di massa del rullo (supponendo che l’attrito volventesia trascurabile).

Accelerazione[

m/s2]

:Fr

Esercizio d_cr_07, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 3.33×103.

81. d_cr_08 (Punteggio: 3.00)Due sfere omogenee, entrambe di raggio R = 1 cm, aventi la medesima massam = 100 g, scendono lungo un piano inclinato, di inclinazione α = 1

2000 ξ π rad:la prima strisciando senza rotolare in assenza di ogni forma di attrito, la se-conda rotolando senza strisciare, in assenza di attrito volvente. Determinare leaccelerazioni dei centri di massa delle 2 sfere.

Accelerazione della sfera che striscia[

m/s2]

:

Accelerazione della sfera che rotola[

m/s2]

:a a

Esercizio d_cr_08, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 6.93, 4.95.

19

82. d_cr_09 (Punteggio: 3.00)Tre corpi omogenei, una sfera, un cilindro e un tubo di spessore trascurabile,tutti di raggio R = 2 cm, e aventi la medesima massa m = 300 g, scendono lungoun piano inclinato, di inclinazione α = 1

2000 ξ π rad, rotolando senza strisciare,in assenza di attrito volvente e con l’asse di rotazione parallelo alle isoipse.Determinare le accelerazioni dei 3 corpi.

Accelerazione della sfera[

m/s2]

:

Accelerazione del cilindro[

m/s2]

:

Accelerazione del tubo[

m/s2]

:a aa

Esercizio d_cr_09, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 4.95, 4.62, 3.47.

83. d_cr_10 (Punteggio: 3.66)Un carrello, dotato di 4 ruote, ha massa (escluse le ruote) pari a M = 50 kg,mentre ogni ruota ha massa pari a m =

(

0.2 + 15000 ξ

)

M e raggio r = 50 cm.

Il carrello è trainato mediante una fune, con una forza orizzontale ~F di inten-sità F = 100 N. Trascurando gli attriti volventi e gli attriti radenti dinamici,e considerando le ruote come cilindri omogenei, calcolare l’accelerazione delcarrello.

Accelerazione del carrello[

m/s2]

:

MFr

m m


84. d_cr_11 (Punteggio: 3.00)Una ruota di massa M = 10 kg (vedi figura), il cui momento di inerzia, rispettoal proprio asse vale Io = M

2

(

r2 +R2)

con R = 50 cm e r = 12000 ξ R, viene

lanciata su di un piano orizzontale, in presenza di attrito dinamico. All’istantedel lancio la velocità del centro di massa della ruota ha modulo v0 = 10 m/s ela ruota ha soltanto moto traslatorio. Se tr è l’istante in cui il moto diventa dipuro rotolamento, determinare il rapporto ρ = vG(tr)

v0fra il modulo della velocità

del centro di massa della ruota in tale istante e il modulo della velocità inizialedel centro di massa.

Rapporto ρ [adimensionale]:

R

r

r

v0


85. d_cr_12 (Punteggio: 6.00)Un filo sottile, di massa trascurabile, è avvolto attorno a un rullo cilindrico pieno,di massa m = 100 g e raggio r = 2 cm. Il filo passa nella gola di una carrucola dimassa trascurabile e priva di attrito e sostiene un blocco di massa M = 50 g. Ilcilindro rotola senza strisciare su di un piano inclinato, di inclinazione α = 9

100 ξ

Determinare: (a) l’accelerazione del cilindro; (b) la tensione del filo.

Accelerazione del cilindro[

m/s2]

:

Tensione del filo [N]:a

m Mr

Esercizio d_cr_12, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 8.21×10−1, 4.08×10−1.

20

86. d_cr_13 (Punteggio: 6.00)Un’asta omogenea di massa m e lunghezza l = 100 cm reca agli estremi duemasse puntiformi: m1 = 10−3ξm ed m2 =

(

1− 10−3ξ)

m. L’asta è posta inrotazione con una certa velocità angolare attorno a un asse, a essa ortogonale,passante per il punto dell’asta che si trova a distanza x dalla massa m1. Sapendoche il sistema è soggetto a una coppia frenante di momento costante, determinareil valore di x affinché esso si fermi nel minor tempo possibile.

Distanza x [cm]:

Risultato (ξ = 500): 5.00×101.

87. d_cr_14 (Punteggio: 3.00)Un disco omogeneo è fatto rotolare lungo un piano inclinato, con l’asse di ro-tazione parallelo alle isoipse, in presenza di attrito radente. Determinare ilmassimo angolo di inclinazione del piano, θmax, oltre il quale il moto non è piùun moto di puro rotolamento, sapendo che il coefficiente di attrito statico èf = 10−4ξ.

Massimo angolo di inclinazione θmax []:

Risultato (ξ = 500): 8.531.

88. d_cr_15 (Punteggio: 3.00)Un tubo omogeneo di spessore trascurabile è fatto rotolare lungo un piano incli-nato, con l’asse di rotazione parallelo alle isoipse, in presenza di attrito radente.Determinare il massimo angolo di inclinazione del piano, θmax, oltre il qualeil moto non è più un moto di puro rotolamento, sapendo che il coefficiente diattrito statico è f = 10−4ξ.


Risultato (ξ = 500): 5.711.

89. d_cr_16 (Punteggio: 3.00)Una sfera omogenea è fatta rotolare lungo un piano inclinato in presenza diattrito radente. Determinare il massimo angolo di inclinazione del piano, θmax,oltre il quale il moto non è più un moto di puro rotolamento, sapendo che ilcoefficiente di attrito statico è f = 10−4ξ.


Risultato (ξ = 500): 9.926.

90. d_cr_17 (Punteggio: 6.00)Un uomo di massa m1 si trova inizialmente in quiete al centro di un carrelloferroviario rettangolare, il quale può scorrere senza attrito lungo un binario.Il carrello ha massa m2 = 5m1, lunghezza L = 2

(

3 + 10−2ξ)

m (nella dire-zione parallela al binario), e si trova anch’esso inizialmente in quiete. A uncerto istante l’uomo si sposta sul carrello in direzione parallela al binario, fino araggiungere un’estremità del carrello. Trovare lo spostamento ∆s del carrello,considerando l’uomo come puntiforme.

Spostamento carrello ∆s [m]:

Risultato (ξ = 500): 1.33.

21

91. d_cr_18 (Punteggio: 6.00)Si consideri una ruota a forma di disco che rotola su di un piano orizzontale. Laruota è soggetta alla forza d’attrito radente statico ~Fa e a una forza costante ~F .La forza ~F agisce nello stesso verso della velocità del centro di massa del discoed è applicata alla ruota in un punto a una quota h da terra, sulla verticalecontenente il punto istantaneo di contatto con il terreno e il centro di massadella ruota. Se R è il raggio del disco, il moto è di puro rotolamento e tra le

intensità delle due forze vale la relazione∥

∥

∥

~Fa

∥

∥

∥ = 12 10

−3ξ∥

∥

∥

~F∥

∥

∥, determinare il

rapporto r = hR

.

Rapporto r = hR

[adimensionale]:


92. d_cr_19 (Punteggio: 4.23)Si consideri il sistema meccanico in figura, con α = 30. Sul piano orizzontale èappoggiata una massa m1 = m

(

1 + 10−2ξ)

mentre su quello inclinato vi è unamassa m2 = m. Le due masse sono unite da un cavo inestensibile e di massatrascurabile, avvolto a una carrucola fissa, di forma cilindrica, omogenea e dimassa M = m, libera di ruotare attorno al proprio asse. Trascurando tutti gliattriti, determinare il modulo dell’accelerazione del sistema at.

Accelerazione at[

m/s2]

:


93. d_cr_20 (Punteggio: 6.00)Due blocchi sono collegati tra loro da una funicella inestensibile di massa tra-scurabile, libera di scorrere senza attrito nella scanalatura sottile di una carru-cola cilindrica omogenea. Nell’ipotesi che i blocchi abbiano massa m1 = m em2 = ρm e che la carrucola abbia massa M = 2m(1 + 10−2ξ), determinare ilvalore di ρ affinché il blocco di massa m2 cada con un’accelerazione pari a 1

6g.

Rapporto ρ = m2

m1[adimensionale]:


94. d_cr_21 (Punteggio: 6.00)Si consideri il sistema meccanico in figura, costituito da un blocco di massa m,fissato a un cavo ideale, a sua volta avvolto attorno a una carrucola cilindricaomogenea, di massa M = 2m = (1 + 10−2ξ) kg, libera di ruotare attornoal proprio asse. L’asse della carrucola è montato su di una molla di costanteelastica k = 50 N/m. Determinare la deformazione della molla ∆l, durante ladiscesa della massa m.

Deformazione ∆l [m]:


95. d_cr_22 (Punteggio: 6.00)Una sbarra omogenea, di massa m = 100 g e spessore trascurabile è appoggiataorizzontalmente su due rulli uguali, di raggio r = 2 cm, con gli assi parallelie orizzontali, situati a distanza d =

(

5 + 1100 ξ

)

cm l’uno dall’altro. I rulliruotano con velocità angolare costante Ω = 20π rad/s con verso opposto, nelsenso indicato in figura. Detto µ = 0.3 il coefficiente di attrito dinamico trasbarra e rulli, determinare il periodo T del moto della sbarra.

Periodo T del moto [s]:


22

96. d_le_01 (Punteggio: 3.00)In una regione di spazio è presente una forza conservativa di intensità ~F (x, y, z) =

cy2z ı + 2cxyz + cxy2 k, dove c = 1 N/m3. Determinare la variazione dienergia potenziale di un punto materiale che si sposta dalla posizione inizialePi = (1, 1, ξ) alla posizione finale Pf = (ξ,−2ξ, 1

3 ).

Variazione di energia potenziale ∆V [J]:

Risultato (ξ = 500): −1.67×108.


c(

yz − y2)

ı + c (xz − 2xy) + cxy k, dove c = 1 N/m2. Determinare la varia-zione dell’energia potenziale di un punto materiale che si sposta dalla posizioneiniziale Pi = (2ξ, 1, 1) alla posizione finale Pf = (ξ,−2, 1

2ξ).


Risultato (ξ = 500): 2.52×105.


c (−2x+ y) ı + cx + 3c k, dove c = 1 N/m. Determinare la variazione dienergia potenziale di un punto materiale che si sposta dalla posizione inizialePi = (5, 1

2ξ, 1) alla posizione finale Pf = (−2ξ,−2, 23ξ).


Risultato (ξ = 500): 9.98×105.

99. d_ur_01 (Punteggio: 6.00)Un punto materiale di massa m = 10 g si muove, con velocità di modulo paria w = 100 cm/s, senza attrito su di un piano orizzontale. Il punto materialeurta elasticamente un’asta sottile, omogenea, di massa M = m

(

1 + 11000 ξ

)

elunghezza 2l = 20 cm, appoggiata senza altri vincoli e senza attrito sullo stessopiano orizzontale e inizialmente in quiete. La velocità del punto è perpendicolareall’asta e il punto d’impatto dista d = 1

1000 l ξ dall’estremità dell’asta. Trovare:(a) la velocità v del punto materiale dopo l’urto; (b) la velocità vG del centrodi massa dell’asta dopo l’urto; (c) la velocità angolare ω dell’asta dopo l’urto.

Velocità v del punto materiale dopo l’urto [cm/s]:

Velocità vG del centro di massa dell’asta dopo l’urto [cm/s]:

Velocità angolare ω dell’asta dopo l’urto [rad/s]: d

m wr

M

2l

Esercizio d_ur_01, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 7.69, 6.15×101, 9.23.

23

100. d_ur_02 (Punteggio: 6.00)Un punto materiale di massa m = 10 g si muove, con velocità di modulo pari aw = 100 cm/s, senza attrito su di un piano orizzontale. Il punto si conficca inun’asta sottile, omogenea, di massa M = m

(

1 + 11000 ξ

)

e lunghezza 2l = 20 cm,appoggiata senza altri vincoli e senza attrito sullo stesso piano orizzontale einizialmente in quiete, rimanendovi attaccato. La velocità del punto materialeè perpendicolare all’asta e il punto d’impatto dista d = 1

1000 l ξ dall’estremitàdell’asta. Trovare la velocità vG′ del centro di massa del sistema asta+puntodopo l’urto e la velocità angolare ω del sistema asta+punto dopo l’urto.

Velocità vG′ del centro di massa del sistema asta+punto dopo l’urto [cm/s]:

Velocità angolare ω del sistema asta+punto dopo l’urto [rad/s]: d

m wr

M

2l

Esercizio d_ur_02, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 4.00×101, 4.62.

101. d_ur_03 (Punteggio: 5.77)Un punto materiale, di massa m = 2 kg, si muove con velocità di modulo pari av = 10 m/s, avente direzione orizzontale e giacente su di un piano verticale. Ilpunto materiale urta elasticamente e istantaneamente nel punto A (vedi figura)una sbarra rigida omogenea di massa pari a M = 1 kg e lunghezza pari ada = 1 m, incernierata allo stesso piano verticale nel punto O, con d = 1

2000 ξae b =

(

1− 11000 ξ

)

a. Determinare la velocità del punto materiale subito dopol’urto (indicandola positiva se concorde alla velocità prima dell’urto e negativain caso contrario) e la velocità angolare della sbarra subito dopo l’urto.

Velocità del punto materiale subito dopo l’urto [m/s]:

Velocità angolare della sbarra subito dopo l’urto [rad/s]:

O

m vM

A

a

d

br

Esercizio d_ur_03, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 5.48, 3.10×101.

102. d_ur_04 (Punteggio: 6.00)Un punto materiale, di massa m = 2 kg, si muove con velocità di modulo pari av = 10 m/s, avente direzione orizzontale e giacente su di un piano verticale. Ilpunto materiale si conficca istantaneamente, rimanendovi attaccato, nel puntoA (vedi figura) di una sbarra rigida omogenea di massa pari a M = 1 kg elunghezza pari ad a = 1 m, incernierata allo stesso piano verticale nel puntoO, con d = 1

2000 ξa e b =(

1− 11000 ξ

)

a. Determinare la velocità angolare dellasbarra (con il punto conficcato) subito dopo l’urto.

Velocità angolare della sbarra (con il punto conficcato) subito dopo l’urto [rad/s]:

O

m vM

A

a

d

br

Esercizio d_ur_04, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 1.55×101.

103. d_ur_05 (Punteggio: 6.00)Un punto materiale, di massa m = 3 kg, si muove con velocità di modulo pari av = 10 m/s, avente direzione orizzontale e giacente su di un piano verticale. Ilpunto materiale urta elasticamente e istantaneamente nel punto A (vedi figura)un disco rigido omogeneo di massa pari a M = 1 kg e raggio pari a r = 1 m,incernierato allo stesso piano verticale nel punto O, con b = 1

1000 ξr. Determi-nare la velocità del punto materiale subito dopo l’urto (indicandola positiva seconcorde alla velocità prima dell’urto e negativa in caso contrario) e la velocitàangolare del disco subito dopo l’urto.

Velocità del punto materiale subito dopo l’urto [m/s]:

Velocità angolare del disco subito dopo l’urto [rad/s]:

O

C

A

m vr

b

r M

Esercizio d_ur_05, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 0.00, 2.00×101.

24

104. d_ur_06 (Punteggio: 3.00)Un punto materiale, di massa m = 3 kg, si muove con velocità di modulo pari av = 10 m/s, avente direzione orizzontale e giacente su di un piano verticale. Ilpunto materiale si conficca istantaneamente, rimanendovi attaccato, nel puntoA (vedi figura) di un disco rigido omogeneo di massa pari a M = 1 kg e raggiopari a r = 1 m, incernierato allo stesso piano verticale nel punto O, con b =

11000 ξr. Determinare e la velocità angolare del disco (con il punto conficcato)subito dopo l’urto.

Velocità angolare del disco (con il punto conficcato) subito dopo l’urto [rad/s]:

O

C

A

m vr

b

r M

Esercizio d_ur_06, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 3.33.

105. d_ur_07 (Punteggio: 6.00)Una sfera rigida, omogenea, di centro A, raggio R = 4 cm e massa M = 250 g,inizialmente in quiete, è urtata da un’altra sfera rigida, omogenea, di centro B,raggio r = 3 cm e massa m = 100 g, che un attimo prima dell’urto trasla con unavelocità nota ~w di modulo pari a w = 100 cm/s. L’urto è perfettamente elasticoe non c’è attrito tra le superfici delle due sfere. Se la distanza di A dalla rettapassante per B e parallela a ~w subito prima dell’urto è pari a d = 7ξ

1000 cm (vedifigura), determinare gli angoli α (∈ [0, 90[ ) e β (∈ [0, 180] ) che le velocitàdelle due sfere formano con quella iniziale ~w della sfera B.

Angolo α (sfera A) []:

Angolo β (sfera B) []:

wr

Br

AR

d

m

M

wr

r

v

Vr

ab

Esercizio d_ur_07, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 30.00, 96.59.

106. d_ur_08 (Punteggio: 6.00)Una sferetta è lanciata orizzontalmente con velocità di modulo v0 = 1

10 ξ m/sda una parete verticale all’altezza h = 5 m (vedi figura). Una seconda parete sitrova di fronte alla prima, parallela a essa, a una distanza d = 60 cm. Nell’ipotesiche gli urti della sferetta contro le pareti siano perfettamente elastici e che laresistenza dell’aria sia trascurabile, determinare: (a) il numero N di urti controle pareti; (b) la distanza dalla parete di lancio del punto di impatto (punto incui la sferetta raggiunge il suolo).

Numero di urti [adimensionale]:

Distanza [cm]:O

y

dx

0

r

v

h

Esercizio d_ur_08, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 84, 9.05.

107. d_ur_09 (Punteggio: 6.00)Un punto materiale, di massa m = 100 g è appoggiato su di un cuneo liscio, dimassa M1 = 1

100 ξm e angolo α = 10. Il cuneo, a sua volta, è vincolato a scorre-re senza attrito su di un piano orizzontale liscio. Supponendo che inizialmentetutto sia in quiete e che il punto materiale si trovi a un’altezza h0 = 50 cmrispetto al piano orizzontale, calcolare: (a) la velocità di traslazione del cuneoquando il punto materiale è sceso sul piano orizzontale; (b) supponendo poi cheil punto, una volta raggiunto il piano orizzontale, incontri un secondo cuneoliscio, di massa M2 = 4m e angolo β = 20, anch’esso libero di scorrere senzaattrito sul piano orizzontale, calcolare la massima altezza h raggiunta dal puntomateriale sul secondo cuneo.

Velocità di traslazione del cuneo [cm/s]:

Altezza raggiunta dal punto sul secondo cuneo [cm]: a b

h0

M1

M2

m

Esercizio d_ur_09, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): −5.72×101, 3.33×101.

25

5 Termodinamica

108. t_tm_01 (Punteggio: 3.33)Un pallone di lattice immerso nell’aria è gonfiato con gas metano. Il palloneè sferico, con raggio di 0.8 m. (a) Determinare il numero di moli di metanocontenute nel pallone sapendo che la pressione interna del pallone è pari a p =ξ

300 pA (dove pA = 101325 Pa è la pressione atmosferica) e che la temperaturadel sistema aria-pallone è pari a 27 C. (b) Determinare la densità del metanocontenuto nel pallone. (c) Sapendo che la massa del lattice è pari a 0.1 kg e chela densità dell’aria è 1.27 kg/m3 quanto vale la componente verticale Rz dellaforza risultante che agisce sul pallone pieno di metano? (Scrivere Rz positivase la forza è diretta in basso e negativa se la forza è diretta in alto).

Quantità di metano n contenuta nel pallone [mol]:

Densità ρ del metano nel pallone[

kg/m3]

:

Componente Rz della forza risultante ~R [N]:

Risultato (ξ = 500): 1.45×102, 1.09, −2.90.

109. t_1p_01 (Punteggio: 3.00)L’energia interna di un gas dipende da temperatura e volume del gas come

U (T, V ) = nRT − ε

V 2+ cost., dove n = 4.0 mol e ε = 10−2 Jm6. Determinare

quanto varia la temperatura del gas, se esso, partendo da un volume iniziale Vi =1 dm3, raggiunge il volume finale Vf =

(

1 + 11000 ξ

)

Vi mediante un’espansionelibera adiabatica.

Variazione di temperatura ∆T = Tf − Ti [K]:

Esercizio t_1p_01, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): −1.67×102.

110. t_1p_02 (Punteggio: 3.00)L’energia interna di un gas dipende da temperatura e pressione del gas comeU (T, p) = 2nRT − εp + cost., dove n = 2.0 mol e ε = 2 · 10−2 J/Pa. Determi-nare quanto varia la temperatura del gas, se esso, partendo da una pressioneiniziale pi = 2 · 105 Pa, raggiunge la pressione finale pf = 1

1000 ξ pi medianteun’espansione libera adiabatica.



111. t_1p_03 (Punteggio: 3.00)L’energia interna di un gas dipende da temperatura e volume del gas comeU (T, V ) = 3nRT + εV 2 + cost., dove n = 12.0 mol e ε = 3 · 108 Jm−6. De-terminare quanto varia la temperatura del gas, se esso, partendo da un volumeiniziale Vi = 1 dm3, raggiunge il volume finale Vf =

(

1 + 1100 ξ

)

Vi medianteun’espansione libera adiabatica.



26

112. t_1p_04 (Punteggio: 3.00)L’energia interna di un gas dipende da temperatura e pressione del gas come

U (T, p) = 4nRT +ε

p2+ cost., dove n = 4.0 mol e ε = 4 · 1012 JPa2. Determi-

nare quanto varia la temperatura del gas, se esso, partendo da una pressioneiniziale pi = 2 · 105 Pa, raggiunge la pressione finale pf = 1



Esercizio t_1p_04, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): −2.26.

113. t_1p_05 (Punteggio: 3.00)L’energia interna di un gas dipende da temperatura e volume del gas come

U (T, V ) = 5nRT − ε

V 3+ cost., dove n = 20.0 mol e ε = 5 · 10−4 Jm9. De-

terminare quanto varia la temperatura del gas, se esso, partendo da un volumeiniziale Vi = 1 dm3, raggiunge il volume finale Vf =

(

1 + 11000 ξ

)

Vi medianteun’espansione libera adiabatica.



114. t_1p_06 (Punteggio: 3.00)L’energia interna di un gas dipende da temperatura e pressione del gas comeU (T, p) = 6nRT − εp2 + cost., dove n = 6.0 mol e ε = 6 · 10−7 J/Pa2. Deter-minare quanto varia la temperatura del gas, se esso, partendo da una pressioneiniziale pi = 2 · 105 Pa, raggiunge la pressione finale pf = 1




115. t_1p_07 (Punteggio: 6.00)Un recipiente cilindrico, dotato di una base mobile (pistone) contiene 3 moli digas perfetto biatomico alla temperatura ti = 0 C. Mediante lo spostamentodel pistone, si comprime quasi staticamente il gas, riducendone il volume dalvalore iniziale Vi = 2 ℓ al valore finale Vf = 1

1000 ξ ℓ. Se la capacità termica delcontenitore è Cc =

110 ξ R, supponendo che il contenitore non scambi calore con

sistemi esterni, calcolare la temperatura finale del gas.

Temperatura finale del gas tf [C]:VC

cC

Esercizio t_1p_07, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 2.05×101.

116. t_1p_08 (Punteggio: 6.00)Un recipiente è costituito da una cavità cilindrica adiabatica entro cui possonoscorrere senza attrito due pistoni, anch’essi adiabatici e soggetti alla pressioneatmosferica. Il volume tra i due pistoni è suddiviso in due parti da una paretediatermica fissa. La parte (1), a sinistra della parete diatermica, è riempita conn1 = 2 mol di gas perfetto biatomico, mentre la parte (2), a destra della paretediatermica, è riempita con n2 =

(

2 + 1500 ξ

)

mol di gas perfetto monoatomico.Se il gas (2) viene compresso in maniera quasi-statica finché il suo volume diventa

un terzo di quello iniziale, calcolare il rapporto ρ =V1f

V1itra il volume finale e il

volume iniziale del gas (1).

Rapporto ρ [adimensionale]:

Esercizio t_1p_08, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 1.33.

27

117. t_1p_09 (Punteggio: 3.00)Un sistema termodinamico, costituito di n = 3 mol di gas perfetto biatomico,compie una trasformazione quasi-statica γ, lungo la quale il calore molare hal’espressione cγ (T ) = cV + aRT , con a = 10−5ξ K−1. Nello stato iniziale ilvolume è Vi = 7 ℓ e la temperatura è Ti = 310 K, mentre nello stato finale latemperatura è Tf = 700 K. Determinare il volume Vf del sistema nello statofinale.

Volume finale Vf [ℓ]:

Risultato (ξ = 500): 4.92×101.

118. t_1p_10 (Punteggio: 6.00)Un sistema termodinamico, costituito di n = 4 mol di gas perfetto monoatomico,compie una trasformazione quasi-statica γ, lungo la quale il calore molare ha

l’espressione cγ (T ) = cV +aR

T, con a = ξ K. Nello stato iniziale il volume è

Vi = 7 ℓ e la temperatura è Ti = 310 K, mentre nello stato finale la temperaturaè Tf = 700 K. Determinare il volume Vf del sistema nello stato finale.


Risultato (ξ = 500): 1.72×101.

119. t_1p_11 (Punteggio: 6.00)Un sistema termodinamico, costituito di n = 5 mol di gas perfetto biatomico,compie una trasformazione quasi-statica γ, lungo la quale il calore molare hal’espressione cγ (T ) = cV + aRT 2, con a = 10−8ξ K−2. Nello stato iniziale ilvolume è Vi = 7 ℓ e la temperatura è Ti = 310 K, mentre nello stato finale latemperatura è Tf = 700 K. Determinare il volume Vf del sistema nello statofinale.


Risultato (ξ = 500): 1.87×101.



T 2, con a = 100 ξ K2. Nello stato iniziale il volume è

Vi = 7 ℓ e la temperatura è Ti = 310 K, mentre nello stato finale la temperaturaè Tf = 700 K. Determinare il volume Vf del sistema nello stato finale.


Risultato (ξ = 500): 8.63.

121. t_1p_13 (Punteggio: 3.00)Un sistema termodinamico, costituito di n = 7 mol di gas perfetto biatomico,compie una trasformazione quasi-statica γ, lungo la quale il calore molare hal’espressione cγ (T ) = cV + aRT 3, con a = 3 · 10−11ξ K−3. Nello stato inizialeil volume è Vi = 7 ℓ e la temperatura è Ti = 310 K, mentre nello stato finale latemperatura è Tf = 700 K. Determinare il volume Vf del sistema nello statofinale.


Risultato (ξ = 500): 3.35×101.

28



T 3, con a = 3 · 105ξ K3. Nello stato iniziale il

volume è Vi = 7 ℓ e la temperatura è Ti = 310 K, mentre nello stato finale latemperatura è Tf = 700 K. Determinare il volume Vf del sistema nello statofinale.


Risultato (ξ = 500): 3.24×101.

123. t_1p_15 (Punteggio: 6.00)Un sistema termodinamico è costituito da n = 7 mol di freon (CCl2 F2). Cal-colare il lavoro compiuto dal sistema se esso subisce un’espansione isotermaquasi-statica alla temperatura T =

(

250 + 110ξ

)

K che lo porta dal volume ini-ziale Vi = 10 ℓ al volume finale Vf =

(

1 + 1100 ξ

)

Vi, nelle seguenti due ipotesi:(a) il sistema è un gas ideale; (b) il sistema è un fluido che segue l’equazionedi Van der Waals, con costante della pressione interna a = 1.078 Jm3 mol−2 ecovolume molare b = 9.98 · 10−5 m3 mol−1.

Lavoro compiuto (gas ideale) [J]:

Lavoro compiuto (gas di Van der Waals) [J]:

Risultato (ξ = 500): 3.13×104, 2.79×104.

124. t_2p_01 (Punteggio: 6.00)Un blocco di ferro, di massa pari a m1 = 1

1000 ξ kg e calore specifico pari a c1 =

444 J kg−1 K−1, alla temperatura T1 = (10 + 2ξ) C, è lasciato cadere nell’acquadel mare, a temperatura T2 = 10 C. Trovare: (a) quanto varia l’entropiadel blocco di ferro nel raggiungimento dell’equilibrio termico; (b) quanto varial’entropia del mare nel raggiungimento dell’equilibrio termico; (c) quanto varial’entropia dell’universo nel raggiungimento dell’equilibrio termico. Si suppongache il blocco e il mare non scambino calore con altri sistemi.

Variazione dell’entropia del blocco di ferro [J/K]:

Variazione dell’entropia del mare [J/K]:

Variazione dell’entropia dell’universo [J/K]:

Risultato (ξ = 500): −3.35×102, 7.84×102, 4.49×102.

125. t_2p_02 (Punteggio: 6.00)Quattro moli di gas perfetto monoatomico compiono un ciclo termodinamico,composto dalle tre seguenti trasformazioni quasi statiche: 1 → 2 isoterma atemperatura T1 =

(

20 + 12 ξ

)

K; 2 → 3 isobara con V3 = 1 m3; 3 → 1 isocora.Calcolare il rendimento η del ciclo sapendo che p2 = 100 Pa.

Rendimento [numero puro]:

Risultato (ξ = 500): 0.587.

29

126. t_2p_03 (Punteggio: 6.00)Un blocco di ghiaccio di massa m = 1

10 ξ g a temperatura tg = 0.0 C viene get-tato in un lago, la cui acqua si trova alla temperatura tl = 15.0 C. Determinare,la variazione di entropia del ghiaccio, del lago e dell’universo nel raggiungimentodello stato di equilibrio (si prenda il calore latente di fusione del ghiaccio pari acf = 333 kJ/kg e il calore specifico dell’acqua pari a c = 4.186 kJ kg−1 K−1).

Variazione dell’entropia del blocco di ghiaccio [J/K]:

Variazione dell’entropia del lago [J/K]:

Variazione dell’entropia dell’universo [J/K]:

Risultato (ξ = 500): 7.21×101, −6.87×101, 3.47.

127. t_2p_04 (Punteggio: 6.00)Un sistema termodinamico è costituito di quattro grammi di elio, inizialmentenello stato 1, caratterizzato dalla pressione p1 = ξ Pa e dalla temperatura T1 =(

30 + 110ξ

)

K. Il sistema subisce dapprima una trasformazione isobara fino araggiungere lo stato 2, in cui il volume è raddoppiato; a questo punto unatrasformazione adiabatica quasi-statica porta il sistema allo stato finale 3, contemperatura T3 = 2

3T1. Calcolare la pressione finale p3 del sistema e i lavoriL1→2 e L2→3 compiuti dal sistema nelle due trasformazioni.

Pressione finale p3 [Pa]:

Lavoro L1→2 [J]:

Lavoro L2→3 [J]:

Risultato (ξ = 500): 3.21×101, 6.65×102, 1.33×103.

128. t_2p_05 (Punteggio: 3.00)Un blocco di ferro, di massa pari a m1 = 1

500 ξ kg e calore specifico pari ac1 = 444 J kg−1K−1, alla temperatura t1 = 300 C, viene posto a contattotermico con un blocco di piombo, di massa m2 = 1

16

√ξ kg e calore specifico

c2 = 167 J kg−1K−1, alla temperatura t2 = 0 C. I due blocchi non scambianocalore con alcun altro sistema. (a) Trovare la temperatura dei due blocchi (inC) una volta che è stato raggiunto l’equilibrio termodinamico. (b) Trovare lavariazione di entropia del blocco di ferro. (c) Trovare la variazione di entropiadel blocco di piombo.

Temperatura finale dei due blocchi [C]:

Variazione di entropia del blocco di ferro [J/K]:

Variazione di entropia del blocco di piombo [J/K]:

( )1 2T T>

2T

eT eT

Q

Esercizio t_2p_05, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 1.97×102, −8.83×101, 1.27×102.

30

129. t_2p_06 (Punteggio: 6.00)Una mole di gas perfetto monoatomico, inizialmente all’equilibrio termodina-mico a temperatura T1 = 300 K e volume V1 = 1 dm3, compie un ciclo co-stituito dalle seguenti trasformazioni: (1 → 2) espansione isobara ottenuta po-nendo in contatto il sistema con un termostato a temperatura T2 incognita;(2 → 3): espansione adiabatica quasi-statica; (3 → 4): abbassamento isocoroquasi-statico della temperatura; (4 → 1): compressione adiabatica quasi-statica.Sapendo che V2 =

(

1 + 1100 ξ

)

V1 e V3 =(

1 + 2100 ξ

)

V1 determinare: (a) Il ren-dimento η del ciclo; (b) la variazione di entropia del sistema in un ciclo ∆SS ;(c) la variazione di entropia dell’ambiente in un ciclo ∆SA.

Rendimento η [adimensionale]:

Variazione di entropia del sistema ∆SS [J/K]:

Variazione di entropia dell’ambiente ∆SA [J/K]:

1 2

3

V

p

4

adiabaticaquasi-statica

adiabatica

quasi-statica

Esercizio t_2p_06, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 5.44×10−1, +0.00, +1.99×101.

130. t_2p_07 (Punteggio: 6.00)Una mole di gas perfetto monoatomico è inizialmente in equilibrio termodi-namico in uno stato 1, alla temperatura T1 = (400 + ξ) K, in un volumeV1 = 10−2 m3. A un certo istante il gas viene portato in uno stato 2 da un’e-spansione adiabatica quasi-statica 1 → 2. In tale trasformazione il gas compieun lavoro pari a L1→2 = 800 J. (a) Calcolare il rapporto ρ = V1

V2, essendo V2 il

volume del gas al termine della trasformazione 1 → 2. A questo punto, tramitela successione di una compressione 2 → 3, isoterma, e una trasformazione 3 → 1,isocora, (entrambe quasi-statiche) il sistema è riportato alle condizioni iniziali.(b) Calcolare il rendimento η del ciclo.

Rapporto ρ = V1

V2[adimensionale]:


1

2

3

p

V

Esercizio t_2p_07, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 8.95×10−1, +3.65×10−2.

131. t_2p_08 (Punteggio: 6.00)Il punto di fusione normale dell’alcool etilico è pari a tPFN = −115 C e il suocalore latente di fusione è cl = 104 J/g. (a) Calcolare il calore Q che è necessariosottrarre a una massa m = ξ kg di alcool etilico liquido a temperatura tPFN perfarlo solidificare. (b) Calcolare la variazione di entropia ∆S di una massa m dialcool etilico durante la solidificazione alla temperatura tPFN, e specificare seessa è positiva, negativa o nulla.

Calore Q [J]:

Variazione di entropia ∆S [J/K]:

Risultato (ξ = 500): 5.20×107, −3.29×105.

31

132. t_2p_09 (Punteggio: 3.00)Il punto di ebollizione normale dell’alcool etilico è pari a tPEN = 78.5 C eil suo calore latente di vaporizzazione è cl = 885 J/g. (a) Calcolare il caloreQ che è necessario cedere a una massa m = ξ kg di alcool etilico liquido atemperatura tPEN per farlo evaporare. (b) Calcolare la variazione di entropia∆S di una massa m di alcool etilico durante l’evaporazione alla temperaturatPEN, e specificare se essa è positiva, negativa o nulla.

Calore Q [J]:


Risultato (ξ = 500): 4.42×108, +1.26×106.

133. t_2p_10 (Punteggio: 3.00)Il punto di fusione normale del piombo è pari a tPFN = 327 C e il suo calorelatente di fusione è cl = 23 J/g. (a) Calcolare il calore Q che è necessario cederea una massa m = ξ kg di piombo solido a temperatura tPFN per farlo fondere.(b) Calcolare la variazione di entropia ∆S di una massa m di piombo durante lafusione alla temperatura tPFN, e specificare se essa è positiva, negativa o nulla.

Calore Q [J]:


Risultato (ξ = 500): 1.15×107, +1.92×104.

134. t_2p_11 (Punteggio: 5.36)Il punto di ebollizione normale dell’anidride solforosa è pari a tPEN = −10.0 Ce il suo calore latente di vaporizzazione è cl = 389 J/g. (a) Calcolare il caloreQ che è necessario sottrarre a una massa m = ξ kg di anidride solforosa gas-sosa a temperatura tPEN per farla condensare. (b) Calcolare la variazione dientropia ∆S di una massa m di anidride solforosa durante la condensazione allatemperatura tPEN, e specificare se essa è positiva, negativa o nulla.

Calore Q [J]:


Risultato (ξ = 500): 1.94×108, −7.39×105.

135. t_2p_12 (Punteggio: 6.00)Una quantità di fluido pari a n = 2 mol si espande liberamente, in un re-cipiente adiabatico, dal volume iniziale Vi = 1 dm3 al volume finale Vf =(

1 + 1500 ξ

)

Vi. La temperatura iniziale del fluido è Ti = 200 K. Calcolare lavariazione di temperatura ∆T e la variazione di entropia ∆S del fluido nell’ipo-tesi che esso segua l’equazione di stato di Van der Waals, con covolume molareb = 3.04 · 10−5 m3 mol−1, costante della pressione interna a = 0.551 Jm3 mol−2

e calore molare a volume costante cV = 28.1 Jmol−1 K−1.

Variazione di temperatura ∆T [K]:


Esercizio t_2p_12, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): −1.96×101, +6.26.

32

136. t_2p_13 (Punteggio: 6.00)Una mole di gas perfetto monoatomico, inizialmente all’equilibrio termodinami-co a temperatura T1 = 300 K e volume V1 = 1 dm3, compie un ciclo costituitodalle seguenti trasformazioni: 1 → 2: espansione isobara quasi-statica; 2 → 3:espansione libera adiabatica; 3 → 4: abbassamento isocoro quasi-statico del-la temperatura; 4 → 1: compressione adiabatica quasi-statica. Sapendo cheV2 =

(

1 + 1100 ξ

)

V1 e V3 =(

1 + 2100 ξ

)

V1 determinare: (a) Il rendimento η delciclo; (b) la variazione di entropia del sistema in un ciclo ∆SS ; (c) la variazionedi entropia dell’ambiente in un ciclo ∆SA.




1 2

3

p

V4

1V

2V

3 4V V=


adiabaticalibera

Esercizio t_2p_13, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 3.04×10−1, +0.00, +5.04.

137. t_2p_14 (Punteggio: 6.00)Una mole di gas perfetto monoatomico, inizialmente all’equilibrio termodinami-co a temperatura T1 = 300 K e volume V1 = 1 dm3, compie un ciclo costituitodalle seguenti trasformazioni: 1 → 2: espansione isobara ottenuta ponendo incontatto il sistema con un termostato a temperatura T2 incognita; 2 → 3: espan-sione libera adiabatica; 3 → 4: abbassamento isocoro della temperatura ottenu-to ponendo in contatto il sistema con un termostato a temperatura T4 incognita;4 → 1: compressione adiabatica quasi-statica. Sapendo che V2 =

(

1 + 1100 ξ

)

V1

e che V3 =(

1 + 2100 ξ

)

V1 determinare: (a) Il rendimento η del ciclo; (b) la va-riazione di entropia del sistema in un ciclo, ∆SS ; (c) la variazione di entropiadell’ambiente in un ciclo, ∆SA.




1 2

3

p

V4

1V

2V

3 4V V=


adiabaticalibera

Esercizio t_2p_14, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 3.04×10−1, +0.00, +3.40×102.

138. t_2p_15 (Punteggio: 6.00)Un sistema termodinamico, composto da n = 1

10 ξ mol di gas perfetto monoa-tomico, si trova inizialmente nello stato 1, a pressione p1 = 400 Pa e volu-me V1 = 50 m3. Il sistema subisce le seguenti trasformazioni quasi-statiche:(1 → 2) trasformazione isocora che ne triplica la pressione; (2 → 3) trasforma-zione isoterma che ne triplica il volume. Calcolare la variazione di entropia delsistema.

Variazione di entropia [J/K]:

Esercizio t_2p_15, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): +1.14×103.


100 ξ mol di gas perfetto biatomi-co, si trova nello stato iniziale con pressione pi = 25 Pa e volume Vi = 64 m3. Ilsistema subisce una successione di trasformazioni quasi-statiche che lo portanoallo stato finale, con pressione pf = 30 Pa e volume Vf = 78 m3. Calcolare lavariazione di entropia del sistema.


Risultato (ξ = 500): +4.77×101.

33

140. t_2p_17 (Punteggio: 6.00)Un sistema termodinamico, composto da m = 1

10 ξ g di elio, si trova inizialmen-te nello stato 1, con pressione p1 = 75 Pa e volume V1 = 30 m3. Il sistemasubisce una successione di trasformazioni quasi-statiche. La prima, (1 → 2), èuna trasformazione isobara che lo porta al volume V2 = 40 m3. La seconda,(2 → 3), è una trasformazione adiabatica che lo porta al volume V3 = 80 m3.Calcolare la variazione di entropia del sistema.


Esercizio t_2p_17, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): +7.47×101.


10 ξ mol di gas perfetto mo-noatomico, si trova nello stato iniziale 1, con pressione p1 = 60 Pa e volu-me V1 = 108 m3. Il sistema subisce le seguenti trasformazioni quasi-statiche:(1 → 2) trasformazione isocora fino alla pressione p2 = (140 + ξ) Pa; (2 → 3)trasformazione isoterma; (3 → 1) trasformazione isobara che chiude il ciclo.Determinare il lavoro compiuto dal sistema in un ciclo e il rendimento del ciclo.

Lavoro in un ciclo [J]:


Esercizio t_2p_18, Fig. 1.Risultato (ξ = 500): 1.01×105, 3.92×10−1.


10 ξ mol di gas perfetto biato-mico, si trova nello stato iniziale 1, con pressione p1 =

(

88− 1100 ξ

)

Pa e volu-me V1 = 110 m3. Il sistema subisce le seguenti trasformazioni quasi-statiche:(1 → 2) trasformazione isocora fino alla pressione p2 = (160 + ξ) Pa; (2 → 3)trasformazione adiabatica; (3 → 4) trasformazione isobara che chiude il ciclo.Determinare il lavoro compiuto dal sistema in un ciclo e il rendimento del ciclo.





10 ξ mol di gas perfetto monoato-mico, si trova nello stato iniziale 1, con pressione p1 =

(

75− 1100 ξ

)

Pa e volumeV1 = 92 m3. Il sistema subisce le seguenti trasformazioni quasi-statiche: (1 → 2)trasformazione adiabatica fino alla pressione p2 =

(

260 + 110 ξ

)

Pa; (2 → 3) tra-sformazione isobara che raddoppia il volume del sistema; (3 → 4) trasformazioneadiabatica; (4 → 1) trasformazione isobara che chiude il ciclo. Determinare illavoro compiuto dal sistema in un ciclo e il rendimento del ciclo.




34


10 ξ mol di gas perfetto biatomico,si trova nello stato iniziale 1, con pressione p1 =

(

108 + 1100 ξ

)

Pa e volumeV1 = 32 m3. Il sistema subisce le seguenti trasformazioni quasi-statiche: (1 → 2)trasformazione isocora che permette di raggiungere la pressione p2 = 234 Pa;(2 → 3) trasformazione isoterma fino al raggiungimento del volume V3 = 1

10 ξV2;(3 → 4) trasformazione isocora; (4 → 1) trasformazione isoterma che chiude ilciclo. Determinare il lavoro compiuto dal sistema in un ciclo e il rendimento delciclo.




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