F (t)dt = I. Urti tra corpi estesi. Statica

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1 Analogamente a quanto visto nel caso di urto tra corpi puntiformi la dinamica degli urti tra può essere studiata attraverso i principi di conservazione. Distinguiamo tra situazione iniziale, prima dell urto, quando l interazione tra i corpi può essere considerata trascurabile, e situazione finale, quella dopo l urto. Tanto più breve è l urto tanto minore è l effetto delle forze esterne non impulsive - tipo la forza peso - durante l urto. Le forze di contatto - tra una palla da biliardo e la sponda - sono tipicamente impulsive. Una forza è impulsiva se è ragionevole modellizzarla come una forza infinita che agisce per un periodo infinitesimo, ma tale che lim t 0 t F (t)dt = I. 1 / 43

2 Se non agiscono forze impulsive esterne al sistema durante l urto si ha: Conservazione della quantità di moto totale del sistema: P I = i m ivi I deve essere uguale, vettorialmente, alla quantità di moto finale P F = j m jv j (finale). La conservazione della quantità di moto durante l urto implica - come già visto, che la velocità del centro di massa del sistema è invariante durante l urto. Conservazione del momento della quantità di moto totale del sistema: L I Ω = LF Ω Conservazione dell energia cinetica, se le forze interne al sistema non compiono lavoro durante l urto. 2 / 43

3 Urto tra dischi anaelastico Un disco di raggio R e massa m 1 scivola su un piano ed urta con un parametro d impatto d un secondo disco uguale e fermo. Dopo l urto i dischi procedono uniti. 3 / 43

4 Urto tra dischi anaelastico La quantità di moto iniziale è P I = mv I e l energia iniziale è E = 1 2 m(vi ) 2. 4 / 43

5 Urto tra dischi anaelastico La quantità di moto iniziale è P I = mv I e l energia iniziale è E = 1 2 m(vi ) 2. Il secondo corpo non ha velocità iniziale per cui la velocità del centro di massa è v CM = m 1 m 1 +m 2 v I = 1 2 vi. 5 / 43

6 Urto tra dischi anaelastico La quantità di moto iniziale è P I = mv I e l energia iniziale è E = 1 2 m(vi ) 2. Il momento della quantità di moto iniziale calcolato rispetto ad un polo posto nel punto in cui i dischi si urtano è L I O = mvi d/2. 6 / 43

7 Urto tra dischi anaelastico La quantità di moto iniziale è P I = mv I e l energia iniziale è E = 1 2 m(vi ) 2. Il momento della quantità di moto iniziale calcolato rispetto ad un polo posto nel punto in cui i dischi si urtano è L I O = mvi d/2. Possiamo anche scegliere come polo il centro di massa del sistema: si tratta di un polo in movimento, e per il teorema di Koenig il momento angolare rispetto a tale polo è sempre uguale al momento angolare calcolato nel sistema del centro di massa... 7 / 43

8 Urto tra dischi anaelastico La quantità di moto iniziale è P I = mv I e l energia iniziale è E = 1 2 m(vi ) 2. Il momento della quantità di moto iniziale calcolato rispetto ad un polo posto nel punto in cui i dischi si urtano è L I O = mvi d/2. Durante l urto non agiscono forze impulsive esterne al sistema. 8 / 43

9 Urto tra dischi anaelastico La quantità di moto iniziale è P I = mv I e l energia iniziale è E = 1 2 m(vi ) 2. Il momento della quantità di moto iniziale calcolato rispetto ad un polo posto nel punto in cui i dischi si urtano è L I O = mvi d/2. Durante l urto non agiscono forze impulsive esterne al sistema.questo significa che si conservano quantità di moto e momento della quantità di moto. 9 / 43

10 Urto tra dischi anaelastico La quantità di moto iniziale è P I = mv I e l energia iniziale è E = 1 2 m(vi ) 2. Il momento della quantità di moto iniziale calcolato rispetto ad un polo posto nel punto in cui i dischi si urtano è L I O = mvi d/2. Durante l urto non agiscono forze impulsive esterne al sistema. Dopo l urto i corpi proseguono uniti. 10 / 43

11 Urto tra dischi anaelastico 11 / 43 La quantità di moto iniziale è P I = mv I e l energia iniziale è E = 1 2 m(vi ) 2. Il momento della quantità di moto iniziale calcolato rispetto ad un polo posto nel punto in cui i dischi si urtano è L I O = mvi d/2. Durante l urto non agiscono forze impulsive esterne al sistema. Dopo l urto i corpi proseguono uniti. Geometricamente il centro di massa al momento dell urto si trova nel punto di contatto tra i dischi. Prima e dopo l urto il centro di massa percorre una traiettoria rettilinea orientata come la velocità del primo disco: questo significa che il momento della quantità di moto associato al moto del centro di massa è rispetto al polo scelto è nullo prima e dopo l urto, e che quindi L I O = L

12 Urto tra dischi anaelastico La quantità di moto iniziale è P I = mv I e l energia iniziale è E = 1 2 m(vi ) 2. Il momento della quantità di moto iniziale calcolato rispetto ad un polo posto nel punto in cui i dischi si urtano è L I O = mvi d/2. Durante l urto non agiscono forze impulsive esterne al sistema. Dopo l urto i corpi proseguono uniti. L urto è anaelastico. 12 / 43

13 Urto tra dischi anaelastico La quantità di moto iniziale è P I = mv I e l energia iniziale è E = 1 2 m(vi ) 2. Il momento della quantità di moto iniziale calcolato rispetto ad un polo posto nel punto in cui i dischi si urtano è L I O = mvi d/2. Durante l urto non agiscono forze impulsive esterne al sistema. Dopo l urto i corpi proseguono uniti. L urto è anaelastico.come vedremo, questo significa che non si conserva l energia del sistema. 13 / 43

14 Urto tra dischi anaelastico L I O = mv I d/2 L F O = I CM ω F I CM = 2(I D + mr 2 ) ω F = v CM = v I /2 mv I d 4(I D + mr 2 ) E C = 1 2 m(vi ) (2m)v2 CM 1 2 ICM (ωf ) 2 = = 1 4 m(vi ) 2 (1 1 4 md 2 (I D + mr 2 ) ) Che succede se il disco 2 è in rotazione? 14 / 43

15 Urto senza attrito Un disco di raggio R e massa m 1 scivola su un piano ed urta con un parametro d impatto d un secondo disco uguale e fermo. L urto è elastico. 15 / 43

16 Urto senza attrito Durante l urto non agiscono forze impulsive esterne al sistema. Questo implica che: 16 / 43

17 Urto senza attrito Durante l urto non agiscono forze impulsive esterne al sistema. Questo implica che: Si conservano quantità di moto e momento della quantità di moto. 17 / 43

18 Urto senza attrito Si conservano quantità di moto e momento della quantità di moto. L assenza di attrito garantisce che le forze impulsive che agiscono su ognuno dei dischi sono dirette lungo la congiungente dei dischi stessi. Questo implica che 18 / 43

19 Urto senza attrito Si conservano quantità di moto e momento della quantità di moto. il momento angolare totale calcolato rispetto al punto di impatto e anche il momento angolare di ognuno dei singoli dischi si conserva. Implica anche che al momento dell urto non esistono MOMENTI impulsivi che possono dare origine ad una rotazione dei dischi intorno al loro asse. 19 / 43

20 Urto senza attrito Si conservano quantità di moto e momento della quantità di moto. il momento angolare totale calcolato rispetto al punto di impatto e anche il momento angolare di ognuno dei singoli dischi si conserva. Implica anche che al momento dell urto non esistono MOMENTI impulsivi che possono dare origine ad una rotazione dei dischi intorno al loro asse. Dopo l urto i corpi sono in moto traslatorio. 20 / 43

21 Urto senza attrito Si conservano quantità di moto e momento della quantità di moto. il momento angolare totale calcolato rispetto al punto di impatto e anche il momento angolare di ognuno dei singoli dischi si conserva. Implica anche che al momento dell urto non esistono MOMENTI impulsivi che possono dare origine ad una rotazione dei dischi intorno al loro asse. La conservazione della quantità di moto (e l uguaglianza delle due masse) garantisce che le velocità finali dei dischi perpendicolari alla direzione della velocità iniziale sono uguali ed opposte 21 / 43

22 Urto senza attrito Si conservano quantità di moto e momento della quantità di moto. il momento angolare totale calcolato rispetto al punto di impatto e anche il momento angolare di ognuno dei singoli dischi si conserva. Implica anche che al momento dell urto non esistono MOMENTI impulsivi che possono dare origine ad una rotazione dei dischi intorno al loro asse. La conservazione della quantità di moto (e l uguaglianza delle due masse) garantisce che le velocità finali dei dischi perpendicolari alla direzione della velocità iniziale sono uguali ed opposte L angolo sin(θ) = d/2r che la velocità finale del secondo disco forma con l orizzontale è noto perché è nota la direzione dell impulso (lungo la congiungente tra i centri) 22 / 43

23 Urto senza attrito 23 / 43 Si conservano quantità di moto e momento della quantità di moto. il momento angolare totale calcolato rispetto al punto di impatto e anche il momento angolare di ognuno dei singoli dischi si conserva. Implica anche che al momento dell urto non esistono MOMENTI impulsivi che possono dare origine ad una rotazione dei dischi intorno al loro asse. La conservazione della quantità di moto (e l uguaglianza delle due masse) garantisce che le velocità finali dei dischi perpendicolari alla direzione della velocità iniziale sono uguali ed opposte L angolo sin(θ) = d/2r che la velocità finale del secondo disco forma con l orizzontale è noto perché è nota la direzione dell impulso (lungo la congiungente tra i centri) L urto è elastico perché la forza vincolare non sposta il suo punto di applicazione durante l urto

24 Urto senza attrito 24 / 43 Si conservano quantità di moto e momento della quantità di moto. il momento angolare totale calcolato rispetto al punto di impatto e anche il momento angolare di ognuno dei singoli dischi si conserva. Implica anche che al momento dell urto non esistono MOMENTI impulsivi che possono dare origine ad una rotazione dei dischi intorno al loro asse. La conservazione della quantità di moto (e l uguaglianza delle due masse) garantisce che le velocità finali dei dischi perpendicolari alla direzione della velocità iniziale sono uguali ed opposte L angolo sin(θ) = d/2r che la velocità finale del secondo disco forma con l orizzontale è noto perché è nota la direzione dell impulso (lungo la congiungente tra i centri) L energia cinetica, che è solo traslazionale, si conserva

25 sin(θ) = d/r v I = 1 v x + v 2 cos(θ) 1v y + v 2 sin(θ) = 0 1vx vy 2 + v2 2 = (v I ) 2 25 / 43

26 sin(θ) = d/r v I = 1 v x + v 2 cos(θ) 1v y + v 2 sin(θ) = 0 1vx vy 2 + v2 2 = (v I ) 2 Qual è l angolo di deviazione del disco 1? Qual è quello del disco 2? Che succede se il disco 2 è in rotazione? Il disco 1 può essere deflesso di 90 gradi? 26 / 43

27 Altro esempio... Una giostra è composta da un disco orizzontale, di raggio R = 1, 5 m e massa M = 100 kg, vincolato a ruotare senza attrito attorno al suo asse. Il raggio del disco è R = 1.5 m e la di massa M = 100 kg. Inizialmente il disco ruota con un periodo T 1 = 1, 00 s. Determinare l energia cinetica della giostra. 27 / 43

28 Altro esempio... Una giostra è composta da un disco orizzontale, di raggio R = 1, 5 m e massa M = 100 kg, vincolato a ruotare senza attrito attorno al suo asse. Il raggio del disco è R = 1.5 m e la di massa M = 100 kg. Inizialmente il disco ruota con un periodo T 1 = 1, 00 s. Determinare l energia cinetica della giostra. L energia cinetica è data dall espressione E c = 1/2Iω 2. Nel nostro caso I = 1/2MR 2 = kgm 2 e ω 1 = 2π rad/s, per cui E c = 2220 J 28 / 43

29 Altro esempio... Una giostra è composta da un disco orizzontale, di raggio R = 1, 5 m e massa M = 100 kg, vincolato a ruotare senza attrito attorno al suo asse. Il raggio del disco è R = 1.5 m e la di massa M = 100 kg. Inizialmente il disco ruota con un periodo T 1 = 1, 00 s. Un bambino di massa m = 20 kg salta da terra e si ferma esattamente sul bordo della giostra, continuando a ruotare solidalmente con essa. Il genitore osserva che adesso la giostra ruota ancora nello stesso verso ma con periodo T 2 = 1, 25 s. Determinare qual è ora l energia cinetica del sistema giostra più bambino. 29 / 43

30 Altro esempio... Una giostra è composta da un disco orizzontale, di raggio R = 1, 5 m e massa M = 100 kg, vincolato a ruotare senza attrito attorno al suo asse. Il raggio del disco è R = 1.5 m e la di massa M = 100 kg. Inizialmente il disco ruota con un periodo T 1 = 1, 00 s. Un bambino di massa m = 20 kg salta da terra e si ferma esattamente sul bordo della giostra, continuando a ruotare solidalmente con essa. Il genitore osserva che adesso la giostra ruota ancora nello stesso verso ma con periodo T 2 = 1, 25 s. Determinare qual è il minimo modulo della componente orizzontale della velocità, rispetto al suolo, con cui il bambino può essere saltato sulla giostra (si consideri il bambino come un corpo puntiforme). 30 / 43

31 Altro esempio / 43 Una giostra è composta da un disco orizzontale, di raggio R = 1, 5 m e massa M = 100 kg, vincolato a ruotare senza attrito attorno al suo asse. Il raggio del disco è R = 1.5 m e la di massa M = 100 kg. Inizialmente il disco ruota con un periodo T 1 = 1, 00 s. Un bambino di massa m = 20 kg salta da terra e si ferma esattamente sul bordo della giostra, continuando a ruotare solidalmente con essa. Il genitore osserva che adesso la giostra ruota ancora nello stesso verso ma con periodo T 2 = 1, 25 s. Determinare qual è il minimo modulo della componente orizzontale della velocità, rispetto al suolo, con cui il bambino può essere saltato sulla giostra (si consideri il bambino come un corpo puntiforme). Le forze impulsive che agiscono sul sistema durante l urto sono esercitate dal perno della giostra e quindi hanno momento nullo rispetto ad un polo preso sul perno. Il momento angolare del sistema durante l urto si conserva, ed in seguito non agiscono ulteriori forze esterne che possano modificarle, per cui possiamo affermare che tra la situazione iniziale e quella finale si ha conservazione del momento angolare del sistema. Quindi M i = Iω 1 + m R v = Iω 1 + mvr sin(θ) e M f = (I + mr 2 )ω 2 sono uguali. Per cui abbiamo: M i = M f v = I 2ω 2 Iω. Il valore mr sin(θ) minimo per la velocità si ha per sin(θ) = 1

32 Altro esempio... Una giostra è composta da un disco orizzontale, di raggio R = 1, 5 m e massa M = 100 kg, vincolato a ruotare senza attrito attorno al suo asse. Il raggio del disco è R = 1.5 m e la di massa M = 100 kg. Inizialmente il disco ruota con un periodo T 1 = 1, 00 s. Esiste un massimo valore per il modulo della velocità? 32 / 43

33 33 / 43 Abbiamo visto che le equazioni cardinali aiutano a descrivere il moto di un sistema di corpi. Le stesse equazioni, uguagliate a zero, permettono di descrivere le condizioni di equilibrio di un sistema: perché un sistema sia in equilibrio occorre che: La quantità di moto totale sia nulla: P = Mv CM = 0 Il momento della quantità di moto calcolato rispetto ad un polo sia nullo Dalla prima equazione cardinale: i F ( E) = 0 dp = 0. dt Dalla seconda equazione cardinale: M (E) O = i (r i r O ) (F (E) i ) = 0 implica dl O dt = 0

34 Trasformazione del momento di una forza Le condizioni devono essere tutte soddisfatte: ad esempio, se la risultante delle forze esterne non è nulla, può esistere un polo rispetto al quale il momento delle forze è nullo, ma non lo è rispetto ad un altro polo. Dato il momento di una forza calcolato rispetto ad un polo Ω 1 abbiamo, rispetto ad un polo Ω 2: M Ω2 = (r r Ω2 ) F = = (r r Ω1 + r Ω1 r Ω2 ) F = = M Ω1 + (r Ω1 r Ω2 ) F Da cui vediamo il momento è nullo per ogni polo solo se F è nulla - e quindi solo se la risultante delle forze esterne F (E) è nulla - si ha che per ogni polo scelto il momento delle forze esterne è nullo. 34 / 43

35 Esempio di statica Una palla di neve sferica di massa M e raggio R è tenuta ferma su un piano inclinato rispetto all orizzontale di π/6 da una paratia. Tra palla e piano inclinato e presente una forza di attrito. Determinare la forza F esercitata dalla paratia sulla palla di neve e la forza di attrito statico esercitata dal piano sulla palla di neve 35 / 43

36 Esempio di statica Prendiamo come polo il punto di contatto tra palla e suolo. 36 / 43

37 Esempio di statica M (E) = M g + M P + M A + M N = = m R g R P F P = 37 / 43

38 Esempio di statica M (E) = M g + M P + M A + M N = = m R g R P F P = = mgr sin(θ) F P R cos(θ) = 0 38 / 43

39 Esempio di statica Equilibriamo la risultante delle forze esterne lungo il piano inclinato mgr sin(θ) F P R cos(θ) = 0 39 / 43

40 Esempio di statica mgr sin(θ) F P R cos(θ) = 0 F (E) = F P + F A + F g = = F P cos(θ) mg sin(θ) F A = = mg sin(θ) mg sin(θ) F A = 0 40 / 43

41 Esempio di statica mgr sin(θ) F P R cos(θ) = 0 F (E) = F P + F A + F g = = F P cos(θ) mg sin(θ) F A = = F A = 0 41 / 43

42 Esempio di statica mgr sin(θ) F P R cos(θ) = 0 F (E) = F P + F A + F g = = F P cos(θ) mg sin(θ) F A = = F A = 0 L attrito non esercita alcuna forza sulla palla / 43

43 problemino 43 / 43

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