La lezione di oggipersonalpages.to.infn.it/~masera/CTF/slides/L02.pdf · 7 Vettori ! Un vettore è...
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La lezione di oggi ! Scalari
! Vettori
! Operazioni tra vettori
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Scalari ! Ci sono delle grandezze fisiche che possono essere
rappresentate con un numero, espresso in un’opportuna unità di misura. Si tratta di grandezze scalari.
! Uno scalare può avere segno positivo o negativo
! Esempi: ! Il volume di un oggetto.
! Volume di un dado: 3.7 cm3
! Volume del liquido in una siringa: 10 ml
! La temperatura in una stanza: T=20 oC ! La potenza di una lampadina: P=20 W
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Scusi, sa
dov’è la
biblioteca ? ! Sì
! Sì, a 0.5 km
! Sì, a 0.5 km in direzione nord-ovest
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Vettori ! Un vettore è una grandezza matematica definita da
modulo, direzione e verso
! Come lo scalare, rappresenta una grandezza fisica con la sua unità di misura
! Esempi di grandezze vettoriali: ! Velocità ! Accelerazione
! Si indica con v o
! Il modulo si indica con v o
v v
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Modulo: 0.5 km
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Direzione:
verticale
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Verso:
Nord
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Esercizio Indicare modulo, direzione e verso del
vettore indicato in figura.
La velocità del vento è pari a
v = 25 km/h
Soluzione modulo: 25 km/h direzione: orizzontale verso: OVEST
N
E
S
W
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Un vettore
Origine
(o punto di
applicazione)
Vertice
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I versori
Modulo: unitario (ad esempio, 1 m)
Direzione: orizzontale
Verso: da sinistra a destra i
Modulo: unitario (ad esempio, 1 m)
Direzione: verticale
Verso: dal basso verso l’alto
j
Versori coordinati
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x
y
z Terna destrorsa
x
y
z Terna sinistrorsa
i
jk
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Prodotto di un vettore per uno scalare
Vettore × Scalare =
Vettore con: ! uguale direzione ! verso: uguale o opposto
(dipende dal segno dello scalare)
! modulo pari al prodotto dei moduli
3A = A+A+A = 3 x A
-3A = (-3) x A
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Componenti rx PROIEZIONE di r sull’asse x
ry PROIEZIONE di r sull’asse y
r = rxi + ry jr = (1.36 m) i + (0.634 m) j
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Le componenti di un vettore
rx = r ⋅cos θ
ry = r ⋅sen θx
y
r
r θ tg =
2y
2x r r r +=
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Vettore posizione nello spazio Vettore posizione:
kzjyixr ˆˆˆ ++=
! Indica la posizione di un oggetto (fermo o in movimento) rispetto all’origine di un sistema di riferimento..
! Vedremo che velocità e accelerazione possono essere espresse a partire dal vettore posizione
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Esempio 1 Determinare le componenti di un vettore
con modulo 3.5 m e direzione 66°
Dunque il vettore si può esprimere come:
m 1.4 66 cos m) (3.5 θ cosA A ox ==⋅=
m 3.2 66sen m) (3.5 θsen A A oy ==⋅=
A = (1.4 m) i + (3.2 m) j
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Esempio 2 Determinare modulo e direzione di un vettore con
componenti AX=1.4 m e Ay=3.2 m
Il modulo del vettore sarà:
L’angolo θ si ottiene da:
m 3.5 m) (3.2 m) 4.1(A A A A 222y
2x =+=+==
o
x
y 66 2.25atan m 1.4m 3.2
atan A
Aatan θ ====
A = (1.4 m) i + (3.2 m) j
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Uno stormo di anatre si è spostato di 30 km,
come mostrato in figura (α = 30°).
Determinare lo spostamento verso Nord e verso Est.
Esercizio
O
A
S
Sest
Snord N
E
S
Wα#
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Soluzione = spostamento dello stormo = 30 km O = origine del vettore, da cui partono le due semirette dirette verso nord e verso est Si costruisce il parallelogrammo (rettangolo) avente una diagonale individuata dal vettore ed i lati diretti secondo le due semirette.
O
A
S
Sest
Snord N
E
S
W
Esercizio
|S| S = Sest + Snord
Snord = S sin α = 26 km
Sest = S cos α = 15 km
α#
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n. 38, pag. M88 Walker Si immagini di spingere una scatola su una rampa di carico lunga 10.0 m. In cima alla rampa la scatola ha raggiunto l’altezza di 3.00 m. Quanto misura l’angolo formato dalla rampa con il piano ?
Soluzione S’imposta il sistema: da cui si ricava e infine
m 10 s =
senθs y ⋅=
senθ = ys= 0.3 θ = arcsen ( y
s) = arcsen (0.3) = 17.5o
ys
θ
Esercizio
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Nota sul piano inclinato… Gli Egizi e le piramidi
Piramide = piano inclinato
Il piano inclinato rende più agevole lo spostamento dei carichi (blocchi di pietra).
Chi spinge il carico sul piano, infatti, deve vincere solo la componente parallela al piano, ottenuta proiettando P lungo la direzione del piano inclinato.
θP
P// = PsinθP⊥ = Pcosθ
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Convenzioni
1o quadrante 2o quadrante
3o quadrante 4o quadrante
Verso antiorario
partendo dall’asse x
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Convenzioni
Ax>0 , Ay >0
I quadrante
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Convenzioni
Ax<0 , Ay >0
II quadrante
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Convenzioni
Ax<0 , Ay <0
III quadrante
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Convenzioni
Ax>0 , Ay <0
IV quadrante
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Somma di vettori
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Somma di vettori
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Somma di vettori
Un vettore è definito da
MODULO, DIREZIONE, VERSO
indipendentemente dalla sua posizione
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Somma di vettori
C = (Ax + Bx ) i + (Ay + By ) j
C =
A +
B
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La somma tra vettori è
indipendente dall’ordine
con il quale i vettori
vengono sommati
A B B A C
+=+=
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Esempio di somma di vettori Un aereo vola da Bari a Roma " AB = 388 km quindi l’aereo vola da Roma a Milano " BC = 472 km Lo spostamento risultante rispetto all’aeroporto di Bari è dato dalla posizione iniziale e da quella finale, ossia dal vettore che congiunge Bari con Milano " AC = 740 km
MILANO
ROMA BARI
C
B A
vettore risultante uguale somma vettori
ma
Modulo vettore risultante diverso somma dei moduli delle
componenti*
(*) AB+BC=(388+472)km=860 km
�!AC =
��!AB +
��!BC
AC 6= AB +BC
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Esercizio Una barca viene trainata per mezzo di una fune da due persone
che camminano parallelamente, lungo le rive opposte di un canale.
Sapendo che:
α = 60° e che la forza esercitata da ciascun uomo = 577 N
Determinare la forza necessaria per trainare la barca.
#
#
α/2
α/2
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Esempio di somma di vettori: Soluzione: α = 60° forza esercitata da ciascun uomo = 577 N = OA = OB
OH = OA cos (α/2) = ΟΒ cos (α/2) = 500 Ν
forza per trainare la barca = 2 OH = 1000 N = OO’
#
#
O
B
A
H
O’
α/2
α/2
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L’opposto di un vettore è un vettore con uguale modulo e direzione, ma verso opposto
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Differenza di vettori
D = (Ax − Bx ) i + (Ay − By ) j
D =
A −
B
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Una importante convenzione
Useremo sempre
la convenzione
! Primo indice (a): origine del vettore
! Secondo indice (b): vertice del vettore
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Prodotto scalare A ⋅B=
A ⋅B cosθ = ABcosθ
θ#
A
B " Il risultato è uno scalare AB BA⋅=⋅" Vale la proprietà commutativa "
" Si chiama anche prodotto interno
i · i = 1
i · j = 0
" Corollari:
|�!A |2 =�!A ·�!A
Prodotto scalare ! Se, in coordinate cartesiane, due vettori hanno componenti:
! Il prodotto scalare vale:
! Quindi: 43
�!A = a
x
i+ ay
j + az
k�!B = b
x
i+ by
j + bz
k
�!A ·�!B = a
x
b
x
i · i+ a
x
b
y
i · j + a
x
b
z
i · k+a
y
b
x
j · i+ a
y
b
y
j · j + a
y
b
z
j · k+a
z
b
x
k · x+ a
z
b
y
k · y + a
z
b
z
k · k�!A ·�!B = a
x
bx
+ ay
by
+ az
bz
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Prodotto vettoriale C =
A∧B
θ#
A
B
" Il risultato è un vettore con: # Modulo = A B senθ # Direzione perpendicolare al piano identificato da A e B # Verso dato dalla regola della mano destra (vedi dopo)
AB - BA
∧=∧" Vale la proprietà anticommutativa "#
" Si chiama anche prodotto esterno
C =
A×BOppure, con altra notazione
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Regola della mano destra
! Prendo la mano destra e metto pollice, indice, medio a 90o l’uno rispetto all’altro ! L’indice indica il verso del vettore A ! Il medio indica il verso del vettore B ! Il pollice indica il verso del vettore C
Nota: devo usare la mano destra (non la sinistra) e non devo scambiare l’ordine dei vettori
" Nota: vale anche per tutte le permutazioni cicliche, ovvero vale anche: # Il pollice indica il verso del vettore A # L’indice indica il verso del vettore B # Il medio indica il verso del vettore C
Prodotto vettoriale / 2
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€
a × b =
ˆ i ˆ j ˆ k ax ay az
bx by bz
€
= ˆ i ay az
by bz− ˆ j
ax az
bx bz
+ ˆ k ax ay
bx by
€
= ˆ i aybz − azby( ) − ˆ j axbz − azbx( ) + ˆ k axby − aybx( )
In coordinate cartesiane, il prodotto vettoriale si ottiene valutando il seguente determinante simbolico:
Versori coordinati
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€
ˆ i × ˆ j =
ˆ i ˆ j ˆ k 1 0 00 1 0
= ˆ k
€
ˆ j × ˆ k =
ˆ i ˆ j ˆ k 0 1 00 0 1
= ˆ i
€
ˆ k × ˆ i =
ˆ i ˆ j ˆ k 0 0 11 0 0
= ˆ j
x
y
z Terna destrorsa
x
y
z Terna sinistrorsa
In una terna destrorsa si ha sempre: