Quantità di moto. Si definisce quantità di moto di un oggetto puntiforme di massa m e velocità v la quantità

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1 Quantità di moto Si definisce quantità di moto di un oggetto puntiforme di massa m e velocità v la quantità p = m v Si noti che p ha la stessa direzione e lo stesso verso di v. La seconda legge della dinamica F = m a si può anche scrivere F = d p Se F = 0 (o se la risultante delle forze che agiscono sull oggetto è nulla) la quantià di moto è costante F = 0 d p = 0 p = cost Impulso di una forza F = d p F = d p se ad un oggetto viene applicata un forza per un intervallo di tempo infinitesimo la sua quantità di moto varia della quantità infinitesima d p. Se la forza è applicata per un intervallo di tempo finito t f t i La quantità t f t i tf t i F = pf p i d p = p fin p in F è detta impulso della forza F tf J = F t i l impulso di una forza che agisce su un punto materiale è uguale alla variazione della quantità di moto dell oggetto: J = p

2 Le dimensioni dell imulso sono quelle di una forza per un tempo e quindi la sua unità di misura è Newton secondi Sistemi di punti materiali Consideriamo il moto complessivo di un sistema meccanico composto da più oggetti puntiformi soggetto a forze esterne e interne. Ad esempio gli oggetti potrebbero essere collegati tra di loro a coppie con delle funi: le forze di tensione delle funi sono delle interne; potrebbero essere soggetti alla forza peso (forze esterne). Se indichiamo con m i e p i la massa e la quantità di moto dell i-esimo oggetto, la seconda legge della dinamica: i 1 + F 21 + F 31 + = d p F 12 + F 32 + = d p 2 è la risultante delle forze esterne che agiscono sul corpo i; F ji è la forza interna con cui il corpo j agisce sul corpo i. Sommiamo membro a membro tutte le equazioni: nella somma del membro a sinistra sopravvivono solo le forze esterne, poichè, per la terza legge della dinamica, F ij = F ji. Si ottiene perciò: i = dp i Indichiamo con P la quantità di moto totale del sistema P = p i F i est dp = che è la seconda legge della meccanica generalizzata a un sistema di punti materiali.

3 (N.B. non confondere P con la forza peso!!) Se la risultante delle forze esterne è nulla F i est = 0 d P = 0 P = costante la quantità di moto totale del sistema si conserva P in = P fin Questa è un equazione vettoriale, quindi se una componente lungo uno degli assi coordinati della forza totale esterna agente su un sistema è nulla, la compenente della quantità di moto lungo quell asse si conserva. Nello studio di un sistema di oggetti puntiformi materiali è conveniente introdurre un punto particolare, il centro di massa. Vedremo che questo punto si muove come se tutta la massa del sistema fosse concentrata in esso e come se tutte le forze agissero su quel punto. In altre parole, se F è la risultante di tutte le forze esterne al sistema e M è la massa totale del sistema, il centro di massa è un punto che si muove con un accelerazione data da a = F /M. Ad esempio il moto del centro di massa dei frammenti di un fuoco artificiale che esplode in volo segue la traiettoria parabolica che seguirebbe il proiettile se non esplodesse (nel caso in cui si trascuri l attrito e fino all istante in cui alcuni dei frammenti cominciano ad arrivare a terra). Nel caso di un sistema costituito da due oggetti puntiformi di massa m 1 e m 2 nelle posizioni r 1 e r 2 (in un dato sistema di riferimento (Oxyz)), la coordinata del centro di massa è definita da r CM = m 1 r 1 + m 2 r 2

4 che si generalizza la caso di N oggetti di massa m i e vettori posizione r i r CM = 1 M m i r i M = dove M è la massa totale del sistema. Le componenti di questo vettore r CM = x CM î + y CM ĵ + z CMˆk sono date in termini delle componenti dei vettori posizione r i = x i î + y i ĵ + z iˆk dei singoli oggetti x CM = 1 M m i x i y CM = 1 M m i m i y i z CM = 1 M m i z i Mostriamo ora che, se M è fissata, cioè nessun oggetto lascia o entra nel sistema durante il moto, l equazione del moto per il centro di massa è i = M a CM dove a CM è l accelerazione del centro di massa. Dimostrazione: dalla definizione di r CM si ha M r CM = m 1 r 1 + m 2 r m N r N derivando rispetto al tempo M v CM = m 1 v 1 + m 2 v m N v N = p i P dove v i e p i sono la velocità e la quantità di moto dell iesimo oggetto e v CM è la velocità del centro di massa: la quantità di moto totale del sistema è uguale al prodotto della massa totale del sistema per la velocità del suo centro di massa.

5 Derivando un altra volta si ha M a CM = d P = i Il sistema nel suo insieme si muove se fosse un unico punto materiale di massa M concentrata tutta nel suo centro di massa, a cui è applicata la risultante delle forza esterne. v CM (e a CM ) non sono la velocità (e l accelerazione) di nessuna delle particelle che costituiscono il sistema, il valore di v CM dice come in media il sistema si sta spostando. In effetti r CM, v CM e a CM sono le medie pesate sulle masse dei vettori posizione, delle velocità e delle accelerazioni dei singoli oggetti. Se N i = 0 a CM = 0 la velocità del centro di massa è costante. Impulso: come per il punto materiale, possiamo definire l impulso che una o più forze esterne cedono a un sistema di punti materiali tf J = Fest = dp = P fin P in t i l impulso di una forza esterna che agisce su un sistema di punti materiali è uguale alla variazione della quantità di moto totale del sistema. D altra parte la quantità di moto del sistema è pari alla quantità di moto di un punto di massa pari alla massa totale del sistema che si muove con velocità v CM, quindi si ha anche J = M( v CM, fin v CM, in)

6 Urti Un urto è un evento nel quale sotto l azione di una forza relativamente intensa due o più corpi entrano in contatto per un intervallo di tempo relativamente breve. Le forze agenti per un tempo breve rispetto al tempo di osservazione del sistema sono dette forze impulsive. Le forze che intervengono durante un urto sono forze impulsive. In un fenomeno d urto almeno uno dei corpi è in moto e quindi il sistema possiede una certa energia e una certa quantità di moto. Vogliamo studiare come queste quantità cambiano dopo l urto. Durante l urto a causa del brevissimo tempo di interazione le forze esterne si possono trascurare: J est = t+τ t 0 quindi la quantità di moto complessiva del sistema si conserva. Consideriamo il caso di due corpi A e B che si urtano. Durante la collisione A esercita su B la forza F (t) e B esercita su A la forza F (t): la loro intensità varia nel tempo ma istante per istante le due forze sono uguali ed opposte (azione e reazione). Queste forze fanno variare la quantità di moto di entrambi i corpi, questa variazione dipende dalla forza e dal tempo

7 durante il quale la forza agisce. applicata al corpo B si ha Dalla relazione F = d p/ d p B = F (t) Integrando questa relazione da un tempo iniziale t i (subito prima della collisione) a un tempo finale t f (subito dopo la collisione) si ha tf p B,f p B,i = d p B = F = J Sul corpo A agisce la forza F (t) e quindi la variazione della quantità di moto di A è t i di conseguenza p A,f p A,i = tf t i ( F ) = J p B,f p B,i = ( p A,f p A,i ) la variazione della quantità di moto di A è uguale ed opposta alla variazione della quantità di moto di B. Un urto si dice elastico se le forze impulsive che si generano nell urto sono conservative: la variazione dell energia potenziale elastica durante la fase di compressione si trasforma in energia cinetica nella fase di rilascio e non si ha dissipazione di energia. In questo caso l energia meccanica prima e dopo l urto è la stessa. Un urto si dice parzialmente o totalmente anelastico quando una parte dell energia meccanica iniziale del sistema (o tutta) viene dissipata nell urto: l energia meccanica non si conserva.

8 In un urto completamente anelastico dopo l urto i due corpi restano attaccati formando un unico corpo: l energia spesa per deformare i due corpi non viene più recuperata e l energia meccanica non si conserva. Urto completamente anelastico in una dimensione: un corpo di massa m 1 e velocità v 1 (proiettile) incide su un corpo di massa m 2 fermo (bersaglio); dopo l urto i due corpi rimangono incollati. Dalla conservazione della quantità di moto m 1 v 1 = ( )v v = m 1v 1 dove v è la velocità dei due corpi (uniti) dopo l urto. N.B. La quantità di moto totale si conserva e quindi la velocità del centro di massa è costante ed è pari a v la velocità dell oggetto finale. Esempio: Pendolo balistico: si tratta di un dispositivo per misurare la velocità di un proiettile. È formato da un blocco di legno di massa M sospeso a due lunghe funi. Un proiettile di massa m e velocità orizzontale v è sparato contro il blocco e vi si conficca. Dopo l urto il blocco oscilla e si alza di un tratto h sopra il livello iniziale. Una misura di h permette di

9 determinare la velocità del proiettile. Le forze che agiscono sul sistema sono la forza peso e la tensione delle funi. L urto avviene in un tempo così breve che l impulso di queste forze si può considerare trascurabile e durante l urto si conserva la quantità di moto totale. L urto è completamente anelastico quindi la velocità del sistema blocco+proiettile subito dopo l urto è V = m m + M v ( ) Dopo l urto il proiettile rimane nel blocco e entrambi si sollevano di un tratto h. In questa fase possiamo applicare la conservazione dell energia meccanica, tra lo stato (A) subito dopo l urto in cui il blocco+proiettile parte con velocità V e lo stato (B) in cui arriva alla quota massima h dove si ferma istantaneamente (dopo di che il blocco ridiscende e continua ad oscillare). Prendendo come livello zero dell energia potenziale gravitazionale quello dello stato A (cioè U(A) = 0) si ha 1 2 (m + M)V 2 = (m + M)gh V 2 = 2gh Utlizzando (*) si ricava la velocità del proiettile v = m + M 2gh m (si noti che la tensione delle funi non interviene perchè è sempre ortogonale al moto del blocco quindi non compie lavoro e non contribuisce all energia meccanica).

10 Urto elastico in una dimensione Consideriamo due corpi che si muovono lungo una retta e compiono un urto elastico (il moto è unidimensionale, le velocità saranno positive o negative a seconda del verso): v 1 v 2 v 1 v 2 Nell urto si conservano la quantità di moto e l energia meccanica del sistema formato dalle due masse: dalla conservazione della quantità di moto si ha m 1 v 1 + m 2 v 2 = m 1 v 1 + m 2 v 2 dalla conservazione dell energia meccanica si ha 1 2 m 1v m 2v2 2 = 1 2 m 1v m 2v 2 2 (si noti che l energia potenziale non compare perchè è la stessa prima e dopo l urto). Da queste due uguaglianze si possono ricavare v 1 e v 2 e si trova v 1 = m 1 m 2 v 1 + 2m 2 v 2 v 2 = 2m 1 v 1 + m 2 m 1 v 2 Casi particolari: m 1 = m 2 v 1 = v 2 v 2 = v 1 i due corpi si scambiano le velocità. In particolare se il corpo 1 era fermo prima dell urto (v 1 = 0), dopo l urto la palla urtante si ferma e l altra parte con la velocità della palla urtante: v 1 = v 2 v 2 = 0

11 bersaglio fisso: Un altra situazione particolare è quella in cui uno dei due corpi è inizialmente fermo, ad es. v 2 = 0 v 1 = m 1 m 2 v 1 v 2 = 2m 1 v 1 Possiamo considerare due sottocasi: m 2 >> m 1 (bersaglio massicio) v 1 v 1 v 2 2m 1 m 2 v 1 il proiettile praticamente rimbalza e inverte la sua velocità mentre il bersaglio si mette in moto con una piccola velocità (perchè m 1 /m 2 << 1). Nel limite m 2, urto contro una parete ferma, v 1 = v 1 e v 2 = 0. m 1 >> m 2 (proiettile massiccio) v 1 v 1 v 2 2v 1 il proiettile prosegue praticamente indisturbato nel suo moto in avanti mentre il bersaglio scatta in avanti con una velocità doppia di quella del proiettile.

12 Urto elastico in due dimensioni Quando l urto non è frontale (cioè il centro di massa non è allineato con la direzione del moto), dopo l urto i corpi non si muovono lungo l asse iniziale Supponiamo che il corpo m 2 sia fermo. Proiettando sugli assi coordinati l equazione della conservazione della quantità di moto, m 1 v 1 + m 2 v 2 = m 1 v 1 + m 2 v 2, si trova m 1 v 1x = m 1 v 1x + m 2 v 2x m 1 v 1y = m 1 v 1y + m 2 v 2y dove v 1x = v 1 cos θ 1, v 1y = v 1 sin θ 1, v 2x = v 2 cos θ 2, v 2y = v 2 sin θ 2. Se l urto è elastico, l energia meccanica si conserva, quindi le equazioni che descrivono l urto sono m 1 v 1x = m 1 v 1x + m 2 v 2x m 1 v 1y = m 1 v 1y + m 2 v 2y 1 2 m 1v1 2 = 1 2 m 1v m 2v 2 2 dove v 1 2 = v 2 1x + v 2 1y e v 2 2 = v 2 2x + v 2 2y. Note la velocità iniziale e le masse, si hanno tre equazioni e quattro incognite v 1x, v 1y, v 2x e v 2y, e per risolvere il problema occorre aver misurato una delle quattro.