Cinematica in due o più dimensioni

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1 Cinematica in due o più dimensioni Le grandezze cinematiche fondamentali: posizione, velocità, accelerazione, sono dei vettori nello spazio a due o tre dimensioni, dotati di modulo, direzione, verso. In realtà anche nel moto rettilineo tali grandezze sono dei vettori, ma... in una dimensione! Hanno un segno e un modulo ma la direzione è fissata. Il corpo percorre una traiettoria nello spazio

2 Posizione e spostamento Vettore posizione: r(t) = x(t)î + y(t)ĵ + z(t)ˆk Spostamento: r = r 2 r 1 = (x 2 x 1 )î + (y 2 y 1 )ĵ + (z 2 z 1 )ˆk

3 Velocità Velocità media: v = r t Velocità istantanea: v(t) = lim t 0 r t = d r dt La velocità istantanea: v(t) = v x (t)î + v y(t)ĵ + v z(t)ˆk = dx dt î + dy dt ĵ + dz dt ˆk è sempre tangente alla traiettoria

4 Accelerazione Accelerazione media: a = v t Accelerazione istantanea: a(t) = lim t 0 v t = d v dt = d2 r dt 2 In componenti cartesiane: a(t) = a x (t)î + a y(t)ĵ + a z(t)ˆk = dv x dt î + dv y dt ĵ + dv z dt ˆk = d2 x dt 2 î + d2 y dt 2 ĵ + d2 z dt 2 ˆk

5 Accelerazione (2) In generale, in un moto curvilineo, la velocità cambia sia in modulo che in direzione: l accelerazione può essere non nulla anche se il modulo della velocità non cambia. L accelerazione è un vettore nella direzione della variazione della velocità. Poiché la velocità cambia nella direzione in cui la traiettoria s incurva, l accelerazione è sempre diretta verso la concavità della traiettoria

6 Moto circolare e circolare uniforme Moto caratterizzato da v R, con R costante. Introduciamo la distanza percorsa lungo la circonferenza, s = Rθ: v = ds dt = Rdθ dt La grandezza ω = dθ è detta velocità dt angolare, si misura in radianti/s o in s 1. Moto circolare uniforme: caratterizzato da velocità angolare ω costante. Periodo: T = 2π, tempo necessario per fare un giro completo. ω Frequenza: ν = 1 T = ω, numero di giri per unità di tempo. 2π

7 Velocità angolare come vettore La velocità angolare può essere definita come un vettore di modulo ω, direzione perpendicolare al piano del moto, verso secondo la regola della mano destra. Con queste convenzioni: v = ω r

8 Velocità e accelerazione nel moto circolare uniforme Dal disegno sopra si vede che v = v f v i tende ad un vettore di modulo v θ = vω t = (v 2 /r) t, diretto verso il centro l accelerazione è quindi centripeta e di modulo a C = v2 r = ω2 r.

9 Esempio Determinare la velocità angolare della terra attorno al proprio asse. Attenzione: non è semplicemente ω = 2π/T, dove T = s è la lunghezza del giorno solare medio! Il periodo T di rotazione della terra, o giorno sidereo, vale T = s, perché la terra deve ancora ruotare di un angolo γ 1 affinchè il sole torni nella stessa posizione. Da qui: ω = 2π T = rad s 1. La differenza t = T T = 240 s può essere stimata come t = γ/ω. Usando γ 2π/360 rad si trova t = 239 s.

10 Moto dei proietti E il moto di particelle che vengono lanciate con velocità iniziale v 0 e sono soggette alla sola accelerazione di gravità g supposta costante. La pallina rossa viene lasciata cadere da ferma nello stesso istante in cui l altra è lanciata orizzontalmente verso destra con velocità v 0. Osservazioni sperimentali: gli spostamenti verticali delle due palline sono identici Il moto orizzontale e il moto verticale sono indipendenti

11 Analisi del moto dei proietti Il moto può essere analizzato separatamente nelle sue componenti: la componente orizzontale è descritta dalle relazioni cinematiche del moto rettilineo uniforme quella verticale dalle relazioni del moto uniformemente accelerato. Il moto avviene nel piano individuato da v 0 e g: scegliamo un sistema di riferimento cartesiano ortogonale orientando l asse x orizzontalmente e l asse y lungo la verticale.

12 Analisi del moto dei proietti Analizziamo separatamente il moto orizzontale: e il moto verticale: a x = 0, v x = v 0x = cost, x = x 0 + v 0x t a y = g, v y = v 0y gt, y = y 0 + v 0y t 1 2 gt2 v 0x = v 0 cos θ, v 0y = v 0 sin θ Determiniamo la traiettoria: il luogo geometrico dei punti occupati dal vettore posizione r(t) nel corso del tempo.

13 Equazione della traiettoria Eliminiamo t fra le equazioni del moto per x(t) e y(t): x(t) = x 0 + v 0x t t = x x 0 v 0x y(t) = y 0 + v 0y t 1 2 gt2 y y 0 = v 0y (x x 0 ) 1 v 0x 2 g(x x 0) 2 v0x 2 Ponendo v 0x = v 0 cos θ, v 0y = v 0 sin θ, x 0 = y 0 = 0, otteniamo: y = x tan θ g 2(v 0 cos θ) 2x2 Questa è l equazione di una parabola nel piano xy, con la curvatura rivolta verso il basso. La traiettoria è quindi parabolica.

14 Gittata Distanza orizzontale coperta dal proietto all istante in cui tocca il suolo: y = v 0 t sin θ 1 2 gt2 = 0 Soluzioni: t = 0, oppure t = 2v 0 sin θ g Sostituendo quest ultimo in x(t) = x 0 + v 0 (cos θ)t si trova la gittata R: x x 0 = 2v2 0 g sin θ cos θ = v2 0 g sin(2θ) R (in alternativa, si può usare l espressione della traiettoria prima ricavata, trovare il valore di x per cui y = 0)

15 Gittata 2 La gittata R: R = v2 0 g sin(2θ) è massima se θ = 45. L altezza massima h si raggiunge quando v y = v 0 sin θ gt = 0, ovvero per t = g v 0 sin θ, da cui h = v2 0 2g sin2 θ (in alternativa, si può usare l espressione della traiettoria prima ricavata, trovare il valore x max per cui dy/dx = 0, trovare poi y(x max ))

16 Esempio 1 Nel 1996 C. Lewis vinse la medaglia d oro nel salto in lungo con un salto di 8.50 m. Se l angolo con cui spiccò il salto fu θ = 23, calcolare, assumendo il moto parabolico, il modulo v 0 della velocità iniziale.

17 Esempio 1 Nel 1996 C. Lewis vinse la medaglia d oro nel salto in lungo con un salto di 8.50 m. Se l angolo con cui spiccò il salto fu θ = 23, calcolare, assumendo il moto parabolico, il modulo v 0 della velocità iniziale. R = v2 0 g sin(2θ) v 0 = Rg sin(2θ) = m/s = 10.8m/s 0.72 Vi sembra un valore ragionevole?

18 Esempi 2 e 3 Dal tetto di un edificio di altezza h viene lanciata una pallina con velocità v 0 = 10 m/s e inclinazione θ = 30 rispetto all orizzontale. Calcolare l altezza h dell edificio, sapendo che la pallina arriva al suolo ad una distanza d = 18 m dalla base dello stesso. Variante (un po più complicata): Dal tetto di un edificio di altezza h = 45 m viene lanciata una pallina con velocità v 0 = 20 m/s e inclinazione θ = 30 rispetto all orizzonte. Calcolare a che distanza dall edificio la pallina tocca il suolo.

19 Nota Bene E necessario specificare sempre in quale sistema di riferimento si descrive il moto: le componenti di r, di v e di a, l espressione analitica della traiettoria, dipendono dal sistema di riferimento. Le relazioni generali tra le grandezze cinematiche sono invece relazioni vettoriali e in quanto tali non dipendono (sono covarianti) dalla scelta del sistema di riferimento.

20 Soluzioni Soluzione del primo problema: (valida se x 0 = y 0 = 0!): usiamo l equazione della traiettoria y = x tan θ g 2(v 0 cos θ) 2x2 Vogliamo trovare la y corrispondente a x = d. Con i nostri dati y = d tan 30 g 2(v 0 cos 30 ) 2d2, h = y = 10.8m Soluzione della variante: dobbiamo trovare il valore di x f tale per cui la traiettoria passa per il punto (x f, y f ), con y f = 45 m. Quindi: y f = x f tan θ g 2(v 0 cos θ) 2x2 f

21 Dobbiamo risolvere un equazione di secondo grado per x f : dove Si trova a = ovvero x f = 73 m a 2 x2 f + bx f y f = 0 g v 2 0 cos2 θ = m 1, b = tan θ = x f = b ± b 2 2ay f a (la soluzione negativa x f = 37.7 m è spuria e corrisponde ad un ipotetica traiettoria prima dello sparo)