Esercitazione N.3 Dinamica del corpo rigido
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- Corrado Spinelli
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1 Esercitazione N.3 Dinamica del corpo rigido
2 Questi esercizi sono sulle lezioni dalla 12 alla 18
3 Relativo alla lezione: Rotazioni rigide attorno ad un asse fisso Rotazioni rigide attorno ad un asse fisso
4 Esercizio 1 Su un disco di massa M e raggio R è praticata una sottile scanalatura di raggio r che non altera il suo momento d'inerzia. Al disco, che può ruotare attorno ad un asse orizzontale passante per il suo centro, sono appesi due corpi di massa m 1 ed m 2 mediante due funi ideali arrotolate come in figura. Il sistema, inizialmente in quiete, viene lasciato libero di muoversi. Scrivere le equazioni del moto del sistema, determinando le accelerazioni lineari dei due corpi, l'accelerazione angolare della carrucola, il valore delle tensioni nelle due funi, con i seguenti valori numerici: M = 1 kg, r = 10 cm, R = 20 cm, m 1 = 100g, m 2 = 200g. m 1 r R m 2
5 Esercizio 1 - soluzioni Scegliamo il verso della rotazione della carrucola in modo che il corpo più pesante scenda. Individuiamo le forze in gioco e decidiamo che le accelerazioni positive sono verso il basso T 1 r O T 2 R In base a ciò scriviamo le equazioni del moto con gli opportuni segni: m 2 g T 2 = m 2 a 2 m 1 g T 1 = m 1 a 1 M = I 0 α RT 2 rt 1 = Iα T 1 P 1 m 1 T 2 P 2 m 2
6 Esercizio 1 - soluzione Il momenti di inerzia del disco per un asse passante per il suo centro, coincidente con il centro di massa è: I CM = 1 2 MR2 Dalle prime due equazioni del sistema precedente, valutiamo il modulo delle due tensioni: T 2 = m 2 g a 2 T 1 = m 1 g + a 1 Poiché i cavi sono inestensibili, la relazione tra le accelerazioni lineari e l accelerazione angolare risulta: a 1 = αr a 2 = αr
7 Per come abbiamo scelto il verso delle accelerazione il corpo uno sale ed il corpo due scende. Esercizio 1 - soluzione Sostituiamo nell ultima equazione del sistema i valori delle tensioni ed i valori delle accelerazioni ed otteniamo: RT 2 rt 1 = Rm 2 g a 2 rm 1 g + a 1 = = Rm 2 g αr rm 1 g + αr = Iα = 1 2 MR2 α m 2 R m 1 r α = g = 10,14 1 rad/s2 2 MR2 + m 2 R 2 + m 1 r 2 Le accelerazioni dei due corpi risultano in modulo: a 1 = αr = 1,01 m s 2 a 2 = αr = 2,03 m s 2
8 Esercizio 1 - soluzione Le tensioni dei due cavi risultano: T 1 = m 1 g + a 1 = 1,08 N T 2 = m 2 g a 2 = 1,55 N
9 Relativo alla lezione: Rotazioni rigide attorno ad un asse fisso Rotazioni rigide attorno ad un asse fisso Momento delle forze ed energia cinetica
10 Esercizio 2 Un disco di raggio R = 0,3 m può ruotare senza attrito attorno ad un asse verticale passante per il suo centro e fissato ad un piano. Sul disco è avvolto un filo ideale che passa nella gola di una carrucola priva di massa e alla cui estremità è appeso un corpo di massa m = 0,1 Kg. Inizialmente il sistema è in quiete; ad un certo punto viene lasciato libero e il corpo scende di 40 cm in 0,5 s. Calcolare: la tensione del filo; il momento di inerzia del disco; l energia cinetica del disco dopo 0,5s. m
11 Esercizio 2 - soluzione Poiché la carrucola è ideale ed ha massa nulla, le tensioni coincidono in modulo: T = T Sul corpo in caduta agiscono le forze: P + T = ma Assumendo positiva la direzione verso il basso, essa diviene: mg T = ma T = m g a Il corpo avrà un moto uniformemente accelerato. T T T T m P
12 Esercizio 2 - soluzione Valutiamo l accelerazione del corpo dalla traccia: x t = 1 2 at2 a = 2x t 2 = 3,2 m s 2 La tensione del cavo risulta: T = m g a = 0,66N Poiché il filo è solidale al disco la relazione tra accelerazione del corpo e accelerazione angolare è: a = αr Il momento applicato al disco è: M = RT R j i T
13 Esercizio 2 - soluzione Dal teorema del momento angolare si ha: M = TR = Iα = I a R I = TR2 a = 1, kg m 2 Il corpo parte da fermo, la sua velocità angolare risulta: ω = αt = a R t L energia cinetica del disco risulta: E k = 1 2 Iω2 = 1 2 I a R t 1 2 = 0,264 J
14 Relativo alle lezioni: Rotazioni rigide attorno ad un asse fisso Rotazioni rigide attorno ad un asse fisso Momento delle forze ed energia cinetica Teorema di Huygens-Steiner Momenti d inerzia e pendolo composto Pendolo composto
15 Esercizio 3 Due punti materiali di uguale massa m = 0,5 kg sono fissati agli estremi di un asta rigida di massa trascurabile lunga l = 40 cm. L asta è libera di ruotare in un piano verticale attorno ad un asse fisso orizzontale passante per un punto O distante d = 10 cm dal suo estremo superiore. Scrivere l equazione del moto del sistema e calcolare il periodo nel caso di piccole oscillazioni, dopo aver determinato la posizione del C.M. e il momento d inerzia del sistema. Se invece non vale l ipotesi di piccole oscillazioni, determinare l angolo θ che l asta forma con la verticale quando viene lasciata andare, sapendo che l energia cinetica dell asta quando passa per la verticale vale E k = 0,98 J. l d O
16 Esercizio 3 - soluzione Il centro di massa è posto al centro dell asta poiché i due corpi hanno la stessa massa, la sua posizione rispetto ad O risulta: l d m d m x CM = = l d = 0,1 m 2m 2 Il momento di inerzia del sistema rispetto al polo O risulta per il teorema di H.S.: 2 I O = I CM + m tot x CM = = 2m l m l2 d 2 = 0,05 kg m 2 O CM x CM
17 Esercizio 3 - soluzione Poiché possiamo considerare la forza peso applicata nel centro di massa, il momento delle forze rispetto al polo O risulta ortogonale al disegno e pari a: M O = x CM P = x cm 2mgsenθk Il segno è negativo poiché abbiamo assunto che l asse z sia uscente dal piano del disegno L equazione della dinamica risulta: M O = I O α = I O αk Lungo l asse z l equazione diviene: x CM 2mgsenθ = I O α = I O d 2 θ dt 2 x CM P k O CM θ
18 Esercizio 3 - soluzione Per un angolo θ piccolo, possiamo applicare l approssimazione: senθ θ L equazione diviene: d 2 θ dt 2 = 2mg x CM θ I O Essa è l equazione di secondo grado di un moto armonico con pulsazione e periodo: ω = 2mg x CM I O T = 2π I O 2mgx CM = 1,42 s
19 Esercizio 3 - soluzione Valutiamo ora l angolo θ di partenza affinché quando il corpo è verticale, esso abbia la data energia cinetica. Poiché l unica forza agente sul corpo che svolge lavoro è la forza peso (conservativa) l energia totale si conserva. Quando il corpo è fermo ad un angolo θ con la verticale, l energia totale coincide con l energia potenziale del CM: E i = E P = m TOT gh CM = = 2mgx CM (1 cosθ) x CM cosθ h CM θ O x CM CM
20 Esercizio 3 - soluzione Per il valore dell energia potenziale scelto precedentemente, quando il corpo è verticale la sua energia totale coincide con l energia cinetica: E f = E k = 1 2 mv CM 2 Per la conservazione dell energia totale: E f = E k = E i = 2mgx CM 1 cosθ E k cosθ = 1 = 0 θ = 90 2mgx CM
21 Relativo alla lezione: Moto di puro rotolamento Moto di puro rotolamento
22 Esercizio 4 Un disco di massa m e raggio R è posto su un piano inclinato scabro con coefficiente di attrito statico µ s. Si determinino i valori dell angolo di inclinazione θ del piano per i quali il disco rotola senza strisciare. f as N P θ
23 Esercizio 4 - soluzione L equazione del moto risulta: P + N + f as = ma In componenti lungo gli assi indicati in figura: N mgcosθ = 0 mgsenθ f as = ma CM Per il teorema del momento angolare applicato al centro di massa del disco, si ha: M = R f as = I CM α In componenti, lungo l asse z entrante diviene Rf as = I CM α f as P N θ
24 Esercizio 4 - soluzione Affinché il moto sia di puro rotolamento il punto di contatto del disco con il piano deve essere fermo, pertanto devono valere le relazioni: v CM = ωr e a CM = αr Con tale relazioni e sostituendo il valore dell accelerazione ottenuto nel sistema, l equazione precedente diviene: Rf as = I CM α = I CM a CM R f as R + I CM Rm = I CM Rm mgsenθ f as = I CM Rm mgsenθ f as = mgsenθ R 2 m I CM + 1
25 Esercizio 4 - soluzione La forza di attrito statico ha il valore massimo pari a: f as μ s N = μ s mgcosθ Pertanto il valore massimo dell angolo di inclinazione del piano è: f as = mgsenθ R 2 m R 2 μ m s mgcosθ tgθ μ s + 1 I + 1 CM I CM Il momento d inerzia del disco per un asse passante per il centro di massa è pari a: I CM = 1 2 mr2 La condizione di puro rotolamento diviene: tgθ μ s = 3μ s
26 Relativo alle lezioni: Rotazioni rigide attorno ad un asse fisso Rotazioni rigide attorno ad un asse fisso Momento delle forze ed energia cinetica Momenti d inerzia e pendolo composto Pendolo composto
27 Esercizio 5 Una piccola massa m = 200 g è poggiata vicino al bordo di un disco di raggio R = 30 cm e massa M = 3,6 Kg. Il coefficiente di attrito statico fra la massa ed il disco è µ s = 0,38. Al sistema disco massa, inizialmente fermo, è applicato un momento costante τ = 0,486 N m. Il sistema si mette in rotazione e ad al tempo t s la massa, istantaneamente, si stacca dal disco. Il disco ruota in orizzontale. Calcolare: l'accelerazione del disco ad un tempo t < t s ; l'accelerazione del disco ad un tempo t > t s ; il tempo t s.
28 Esercizio 5 soluzione Per t < t s il momento di inerzia del sistema risulta: I 1 = 1 2 MR2 + mr 2 = 0,18 kg m 2 L accelerazione del sistema per t < t s, risulta: τ = I 1 α 1 α 1 = τ I 1 = 2,7 rad s 2 Per t > t s il momento di inerzia del sistema risulta: I 2 = 1 2 MR2 = 0,162 kg m 2 L accelerazione del sistema per t > t s, risulta: τ = I 2 α 2 α 2 = τ I 2 = 3 rad s 2
29 Esercizio 5 - soluzione Il corpo posto sul disco resta su di esso e ruota se la forza di attrito statico gli fornisce la necessaria forza centripeta. Il punto si stacca quando la forza di attrito statico diviene inferiore alla forza centripeta necessaria. Il caso limite si ha quando la forza di attrito è massima: f as μ s N = μ s mg Prima che il distacco avvenga il punto di massa m compie un moto circolare uniformemente accelerato con una accelerazione pari a α 1. Poiché il corpo parte da fermo la velocità angolare ad un tempo t risulta: ω = α 1 t
30 Esercizio 5 - soluzione Il corpo si distacca all istante t s che verifica la condizione: μ s mg = mω 2 t s R = mα 1 2 t s 2 R t s = μ sg α 1 2 R = 1,30 s
31 Relativo alle lezioni: Dinamica dei sistemi: Sistema del CM, teoremi di König e dell energia cinetica Teorema di König per E K Urti Distinzione tra tipologie di urti e urti completamente anelastici Urti anelastici ed urti con corpi rigidi
32 Esercizio 6 Un disco di massa M = 1 Kg e raggio R = 20 cm è inizialmente fermo su un piano orizzontale liscio. Un punto materiale di massa m = M in moto con una velocità v = 4 m/s, diretta come in figura, urta il bordo del disco, rimanendovi attaccato. Determinare: il centro di massa del sistema costituito dal disco e dal punto materiale; la velocità del centro di massa del sistema dopo l urto; la velocità angolare del sistema; l energia dissipata nell urto. v
33 Esercizio 6 - soluzione Il centro di massa del sistema risulta, considerando il centro del disco come il centro di riferimento del sistema: x CM = 0 y CM = Rm m + M = R = 10 cm 2 Il sistema dopo l urto trasla e ruota. Il sistema è isolato, pertanto l accelerazione del centro di massa è nulla. Il centro di massa si muove di moto rettilineo uniforme (non ruota). Il sistema ruota attorno ad un asse passante per il centro di massa ed x y CM ortogonale al piano del disegno.
34 Esercizio 6 -soluzione Poiché il sistema è isolato, si conserva la quantità di moto: R E = 0 Δp = 0 Lungo l asse y non vi è moto, lungo l asse x si ha: mv = m + M v CM v CM = m v = 2 m/s m + M Poiché il sistema è isolato si conserva il momento angolare rispetto qualunque polo. Valutiamolo rispetto al centro di massa: L i = R y CM mv = L f = I z ω
35 Esercizio 6 - soluzione Valutiamo il momento di inerzia del sistema dopo l urto rispetto al centro di massa utilizzando anche il teorema di H.S.: I z = I z,disco + I z,punto = 1 2 MR2 2 + My CM + m R y 2 CM = = 1 2 MR2 + M R2 R2 + m 4 4 = MR2 Per la conservazione del momento angolare: R y CM v = MR 2 ω ω = R y CM m mr 2 v = 1 v = 10 rad/s 2R
36 Esercizio 6 - soluzione Poiché l urto è totalmente anelastico l energia cinetica del sistema non si conserva. L energia cinetica finale è la somma dell energia cinetica rotazionale e dell energia cinetica del centro di massa: E kf = 1 2 I zω mv CM 2 L energia cinetica iniziale coincide con quella del punto materiale: E kf = 1 2 mv2 La variazione di energia cinetica risulta: ΔE k = 1 2 I zω mv CM 1 2 mv2 = 2J
Esercizio n 1. = 200 g t = 0 sistema in quiete a)? a 1. = 100 g m 2. a 2 b)? acc. angolare c)? T 1. e T 2
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