ESERCIZI SULLA DINAMICA DI CORPI RIGIDI:

Documenti analoghi
ESERCIZI SULLA DINAMICA DI CORPI RIGIDI.

Esercitazioni di Meccanica Razionale

M, R. δu A δu G G. k α

VII ESERCITAZIONE - 29 Novembre 2013

(trascurare la massa delle razze della ruota, e schematizzarla come un anello; momento d inerzia dell anello I A = MR 2 )

Fisica Generale I (primo modulo) A.A , 9 febbraio 2009

Esercitazione 2. Soluzione

Esercitazione 6 - Dinamica del punto materiale e. del corpo rigido

4. Disegnare le forze che agiscono sull anello e scrivere la legge che determina il moto del suo centro di massa lungo il piano di destra [2 punti];

Esercizio 1 L/3. mg CM Mg. La sommatoria delle forze e dei momenti deve essere uguale a 0 M A. ω è il verso di rotazione con cui studio il sistema

MOMENTI DI INERZIA PER CORPI CONTINUI

Esercitazione 2. Soluzione

Esame di Meccanica Razionale (Dinamica) Allievi Ing. Edile II Anno Prova intermedia del 23 novembre 2012 durata della prova: 2h

Compito del 14 giugno 2004

Esame di Meccanica Razionale. Allievi Ing. MAT Appello del 6 luglio 2007

DEDUZIONE DEL TEOREMA DELL'ENERGIA CINETICA DELL EQUAZIONE SIMBOLICA DELLA DINAMICA

Esercitazione VI - Leggi della dinamica III

DINAMICA DI SISTEMI AEROSPAZIALI

approfondimento Cinematica ed energia di rotazione equilibrio statico di un corpo esteso conservazione del momento angolare

M? La forza d attrito coinvolta è quella tra i due blocchi occorre quindi visualizzare la reazione normale al piano di contatto Il diagramma delle

Fondamenti di Meccanica Esame del

ESERCIZI SULL EQUILIBRIO DI UN PUNTO MATERIALE, DI UN SITEMA DI PUNTI E DI UN CORPO RIGIDO

Esercizio (tratto dal Problema 3.35 del Mazzoldi 2)

CAPITOLO 7: ESEMPI PRATICI: 7.1 Esempi di dinamica.

Lezione 8 Dinamica del corpo rigido

EQUAZIONI DI LAGRANGE E STAZIONARIETÀ DEL POTENZIALE

Esercitazioni di Meccanica Razionale

Φ D 2 L. k > 0. M O=A s. sistema (che è rappresentato in figura ). Infine, vogliamo calcolare le reazioni vincolari sul sistema.

ESERCIZI SULLA DINAMICA DI CORPI RIGIDI.

Esercitazioni di Meccanica Razionale

Esame di Fisica con Laboratorio Corso di Laurea in Scienze dell Architettura Università degli Studi di Udine 29 gennaio 2010 Mario Paolo Giordani

Fisica Generale I (primo e secondo modulo) A.A , 1 Febbraio 2010

Meccanica Applicata alle Macchine

Grandezze angolari. Lineare Angolare Relazione x θ x = rθ. m I I = mr 2 F N N = rf sin θ 1 2 mv2 1

Esercizi sul corpo rigido.

Problemi di dinamica del punto materiale

Problemi aggiuntivi sulla Dinamica dei Sistemi di punti materiali: A) Impulso + conservazione quantità di moto

Fisica 1 Anno Accademico 2011/2012

UNIVERSITA DEL SANNIO CORSO DI FISICA 1

Esercizio (tratto dal Problema 4.24 del Mazzoldi 2)

m h M θ Esercizio (tratto dal problema 7.42 del Mazzoldi 2)

l 1 l 2 Uncorpo viene lanciato su per un piano scabro inclinato di 45 rispetto all orizzontale

DINAMICA E STATICA RELATIVA

Compito di Fisica Generale (Meccanica) 13/01/2014

Prova scritta del corso di Fisica e Fisica 1 con soluzioni

j B Dati: ω1=100 rad/s velocità angolare della manovella (1); l = 250 mm (lunghezza della biella 2); r = 100 mm (lunghezza della manovella 1).

1) Per quale valore minimo della velocità angolare iniziale il cilindro riesce a compiere un giro completo.

Compito di Fisica Generale (Meccanica) 16/01/2015

Compito di Meccanica Razionale

POLITECNICO DI MILANO Facoltà di Ingegneria Industriale Fondamenti di Fisica Sperimentale, a.a I a prova in itinere, 10 maggio 2013

M p. θ max. P v P. Esercizi di Meccanica (M6) Consegna: giovedì 3 giugno.

A: L = 2.5 m; M = 0.1 kg; v 0 = 15 m/s; n = 2 B: L = 2 m; M = 0.5 kg; v 0 = 9 m/s ; n = 1

Esercizio 1 Meccanica del Punto

Prova scritta di Meccanica Razionale

Compito di Fisica Generale (Meccanica) 25/01/2011

IV ESERCITAZIONE. Esercizio 1. Soluzione

Esercitazioni di Meccanica Razionale

MECCANICA APPLICATA ALLE MACCHINE Allievi meccanici AA prova del Problema N.1. Problema N.2

Esercizi da fare a casa

Soluzioni della prova scritta Fisica Generale 1

Alcuni problemi di meccanica

0.6 Moto rotazionale intorno ad un asse fisso

Esercizi di Statica. Esercitazioni di Fisica per ingegneri - A.A

) 2 + β 2. Il primo membro si semplifica tenendo conto che

Esercizio (tratto dal problema 7.36 del Mazzoldi 2)

Problema (tratto dal 7.42 del Mazzoldi 2)

ESERCIZI DI DINAMICA DEL PUNTO MATERIALE

III ESERCITAZIONE. Soluzione. (F x û x + F y û y ) (dx û x + dy û y ) (1)

Dinamica del punto materiale: problemi con gli oscillatori.

Esercitazione 3. Soluzione. F y dy = 0 al 2 dy = 0.06 J

sfera omogenea di massa M e raggio R il momento d inerzia rispetto ad un asse passante per il suo centro di massa vale I = 2 5 MR2 ).

Esercizi di Statica - Moti Relativi

Compito di Fisica 1 Ingegneria elettrica e gestionale Soluzioni fila A

P = r. o + r. O + ω r (1)

CORSO DI LAUREA IN SCIENZE BIOLOGICHE Secondo Compitino di FISICA 15 giugno 2012

Formulario Meccanica

Esercizi. Diagrammi delle forze (di corpo singolo) per sistemi in equilibrio

Esercizi. Diagrammi delle forze (di corpo singolo) per sistemi in equilibrio

Primo principio detto d'inerzia o di Galileo

Fisica Generale I (primo e secondo modulo) A.A , 15 luglio 2009

SIMULAZIONE PRIMO ESONERO (ES. SVOLTI) DEL

Compito di Fisica Generale (Meccanica) 17/01/2013

Soluzioni della prima prova di accertamento Fisica Generale 1

Anno Accademico Fisica I 12 CFU Esercitazione n.8: Dinamica dei corpi rigidi

b) DIAGRAMMA DELLE FORZE

Applicazioni delle leggi della meccanica: moto armnico

MECCANICA APPLICATA ALLE MACCHINE L

1. Considerare il seguente sistema di vettori applicati:

Anno Accademico Fisica I 12 CFU Esercitazione n.7: Dinamica dei corpi rigidi

Università dell Aquila - Ingegneria Prova Scritta di Fisica Generale I - 03/07/2015 Nome Cognome N. Matricola CFU

Unità didattica 2. Seconda unità didattica (Fisica) 1. Corso integrato di Matematica e Fisica per il Corso di Farmacia

Soluzioni I anno FisMat

PROVA SCRITTA DI MECCANICA RAZIONALE (9 gennaio 2015) (C.d.L. Ing. Civile [L-Z] e C.d.L. Ing. Edile/Architettura Prof. A.

FISICA per SCIENZE BIOLOGICHE A.A. 2012/2013 APPELLO 18 Luglio 2013

Compito di Meccanica Razionale M-Z

Lezione mecc n.21 pag 1. Argomenti di questa lezione (esercitazione) Macchina di Atwood Moti kepleriani Urti, moti armonici Moto di puro rotolamento

1 Sistemi di riferimento

attrito2.notebook March 18, 2013

R R condizione di rotolamento. per puro rotolamento

Dinamica Rotazionale

Transcript:

ESERCIZI SULLA DINAMICA DI CORPI RIGIDI: risoluzione mediante le euazioni cardinali della dinamica Esercizio n.11 Siadatounpianoinclinatofisso e posto in un piano verticale. Su di esso rotola senza strisciare un disco omogeneo di raggio R e massa M; uest ultimo è connesso ad una massa puntiforme di peso mediante un filo inestensibile e di massa trascurabile che scorre senza attrito sulla carrucola posta in B in modo che il filo scorra parallelamente al piano inclinato (cfr. figura seguente). 5 B M, R A G α C Detta g l accelerazione di gravità e assumendo che il sistema sia inizialmente in uiete, determinare il moto del sistema e come variano nel tempo la tensione nel filo e la reazione di contatto tra disco e piano inclinato. Se il filo rimane sempre in tensione, il sistema è caratterizzato da 1 grado di libertà. Come coordinata libera si può scegliere, ad esempio, la posizione verticale (x) della massa. Indicato con ϑ l angolo di rotazione (in senso antiorario) del disco, la relazione con la variabile x si ottiene osservando che C èilcentrodiistantanea rotazione del disco e che la velocità del punto A può essere espressa come: v A = ϑ ³ A C =2 ϑr k n =2 ϑr t

6 essendo k ilversoreortogonalealpianochecontieneildiscoecheformacon n e t la terna cartesiana di riferimento. n A v A v G ϑ ẋ t k α C Analogamente per il baricentro G la velocità risulta: v G = ϑ ³ G C = ϑr k n = ϑr t Il vincolo di inestensibilità del filo permette di determinare la relazione tra x e ϑ: v A =2 ϑr = ẋ ovvero: ϑ = ϑ 0 x x 0 2R in cui ϑ 0 è l angolo corrispondente alla posizione iniziale x 0 della massa. Per scrivere le euazioni del moto per ciascun elemento del sistema si isolano la massa e il disco mettendo in evidenza le forze corrispondenti. T A T Q T A T Q t n k φ C p α φ C j i L intensità della tensione del filoècostante poichéilfilo scorre sulla carrucola senza attrito: T, T A = TQ

Le euazioni del moto, in forma vettoriale, si scrivono come segue (m I G = MR 2 /2): m a Q = + ³ T Q M a G = p + φ C + ³ T A I G ϑ k = MG 7 = /g, Le varie forze possono essere convenientemente espresse mediante i versori n, t e j: T A = T t T Q = T j φc = φ t t + φ n n p = Mg j = j mentre il momento delle forze applicate al disco è: ³ M G = A G ³ T A ³ + G G p + =(R n) T t +( R n) φ t t + φ n n = = T R k Rφ t k = (T + φt ) R k Analogamente, per le accelerazioni si ha: ³ C G φ C = ½ ag = d v G dt a Q =ẍ j = ϑr t= 1 2ẍ t A uesto punto si possono proiettare i termini delle euazioni: ³ ³ ³ ẍ j j = j j + T j j g M 1 2ẍ t ³ t = Mg j t + φ C t + T t t M 1 2ẍ t ³ n = Mg j n + φ C n + T t n ϑ k k = M G k = (T + φ t ) R k k MR 2 2 ottenendo così un sistema di 4 euazioni nelle 4 funzioni incognite x (t), T (t), φ t (t) e φ n (t): gẍ = T 1M ẍ = Mgsin (α)+φ 2 t T ovvero 0= M gcos (α)+φ n MR 2 2 1 2Rẍ = (T + φ t ) R 3p+4p sin(α) T = 8+3p φ t = p +(p+4)sin(α) 8+3p φ n = p cos (α) ẍ = g 8 4p sin(α) 8+3p Si noti che risulta, come ipotizzato, T > 0; se fosse risultato T < 0 ad un certo istante, si sarebbe dovuto assumere T =0nelle euazioni del moto.

8 Il moto della massa risulta essere uniformemente accelerato e le forze coinvolte rimangono costanti nel tempo. La funzione x (t) si ottiene integrando due volte l accelerazione: ẋ (t) =A + x (t) =B + Z t 0 Z t 0 8 4p sin (α) ẍ (τ) dτ = A + gt 8 +3p ẋ (τ) dτ = B + At+ 8 4p sin (α) g t2 8 +3p 2 Le costanti di integrazione A e B si ottengono imponendo le condizioni iniziali: Dunue si ottiene: x (t) =x 0 + ẋ (0) = A =0 x (0) = B = x 0 8 4p sin (α) g t2 8 +3p 2 Si noti che se 2 = p sin (α) il sistema rimane in uiete, ovvero la configurazione iniziale (x 0 ) è di euilibrio; se invece risulta 2 >psin (α),ilcoefficiente del termine uadratico è positivo, ovvero la massa si abbassa progressivamente imponendo al disco di risalire il piano inclinato. In alternativa, se 2 <psin (α) il coefficiente del termine uadratico è negativo e la massa viene sollevata dal disco che, rotolando, discende il piano inclinato. Risoluzione altenativa Il problema può essere risolto anche senza isolare il disco dal piano inclinato. Mettendo in evidenza le forze scambiate tra il filo e la massa etrailfilo e il disco le euazioni del moto che si possono scrivere sono le seguenti: T A T Q t n k α T A p C T Q j i ( a g Q = + ³ T Q I C ϑ k = M C

ovvero, all euazione del moto per la massa si aggiunge l euazione del momento della uantità di moto scritta per il disco rispetto al centro di istantanea rotazione C. Il momento M C delle forze applicate al disco è dato dall espressione seguente: ³ M C = A C ³ T A ³ + G C p = =(2R n) T t ³ +(R n) p j = = 2T R k + Rpsin (α) k =[ 2T + p sin (α)] R k Il momento d inerzia del disco rispetto al centro di istantanea rotazione può essere determinato mediante la formula di trasporto di Huygens-Steiner: 9 I C = I G + MR 2 = 3 2 MR2 Proiettando le euazioni su j e k si ottiene un sistema di due euazioni scalari nelle incognite T e x: ½ ẍ = T g 3 2 MR2 2R ẍ =[ 2T + p sin (α)] R sistema che, risolto, fornisce la stessa soluzione precedentemente determinata: ( T = 3p+4p sin(α) ẍ = 3p+8 8 4p sin(α) 8+3p Esercizio n.12 Sia dato un piano inclinato fisso e posto in un piano verticale. Su di esso rotolano senza strisciare un disco e un anello omogenei e scabri, entrambi di raggio R e massa M. I due corpi rigidi sono posti inizialmente in contatto e il coefficiente di attrito dinamico è µ (cfr. figura seguente). g Detta g l accelerazione di gravità, determinare il moto del sistema e come varia nel tempo la reazione di contatto tra i due dischi. Si trascuri l attrito volvente tra ciascuno dei due corpi rigidi e il piano inclinato.

10 Finché disco e anello rimangono in contatto il sistema è caratterizzato da 1 grado di libertà: come coordinata libera si sceglie, ad esempio, la posizione lungo il piano inclinato del baricentro del disco (x). Le rotazioni (ϕ e ϑ) dei due corpi rigidi possono essere espresse in funzione della coordinata libera x osservando che, detto G D il baricentro del disco e G A uello dell anello, si può scrivere: ³ ³ v GD = ϕ G D H = = v GA = ϑ ³ G A K ϕ k R t = ϕr n = ẋ n ³ ϑ k R t = ϑr n = ẋ n dacuisideduce: ϕ = ϑ = ẋ R Per la scrittura delle euazioni del moto si sfrutta uanto osservato al punto (). Il disco e l anello vengono separati e si mettono in evidenza le reazioni vincolari ( φ C e φ C ) scambiate tra i due corpi rigidi. Essendo H il centro di istantanea rotazione del disco e K uello dell anello, per i due corpi rigidi si può scrivere: Disco: Γ H = ³ ³ M H I H ϕ = G D H p + C H φ C (1a) Anello: Γ K = ³ ³ M K I K ϑ = G A H p + C K ³ φ C (1b)

11 La reazione vincolare φ C può essere espressa nel riferimento ( n, t): φc = φ n n + φ t t Il contatto tra i due corpi rigidi richiede che le seguenti relazioni risultino soddisfatte: φ n 0 φ t 0 φ t = µ φ n Qualora risultasse φ n > 0 vi sarebbe il distacco tra il disco e l anello e, a partire dall istante in cui φ n =0, bisognerebbe assumere φ C =0nelle euazioni del moto. Il sistema risolvente è il seguente: ³ ³ I H ϕ = G D H p + C H φ C ³ ³ I K ϑ = G A H p + C K ³ φ C φ t = µφ n I H ³ ϕ k = R t p + R n + R t φ n n + φ t t I K ³ ϑ k = R t p + R n + R t φ n n φ t t φ t = µ φ n ovvero, proiettando lungo il versore k: ẍ I H = R psin (α) φ R n R + φ t R ẍ I K = R psin (α)+φ R n R + φ t R φ t = µ φ n erisolvendo: φ t = p sin (α) ẍ (I 2R 2 H + I K ) φ n = ẍ (I 2R 2 H I K ) φ t = µ φ n Il segno di φ n dipende dai momenti d inerzia di ciascun corpo rigido rispetto al centro di istantanea rotazione. Per il disco si ha (cfr. punto ): I H = 3 2 MR2 mentre per l anello si può calcolare il momento d inerzia rispetto al proprio baricentro G A : Z 2π I GA = γr 2 Rdψ= M 2πR R2 R 2π = MR 2 0 in cui γ = M è la densità di massa per unità di lunghezza dell anello. Applicando 2πR poi il teorema di trasporto si ottiene: I K = I GA + MR 2 =2MR 2

12 Sostituendo uanto trovato nel sistema precedente si ricava: φ t = Mgsin (α) 7ẍM 4 φ n = ẍm 4 4g sin (α) 7ẍ = µ ẍ sistema che ammette le seguenti soluzioni: ½ 4g sin (α) 7ẍ 0 4g sin (α) 7ẍ = µ ẍ ½ 4g sin (α) 7ẍ 0 [4g sin (α) 7ẍ] =µ ẍ φ t = µ p sin (α) φ n = p sin(α) ẍ 4 g sin (α) 7 ẍ = g 4sin(α) φ t = p sin (α) µ 7 µ φ n = p sin(α) 7 µ ẍ 4 g sin (α) 7 ẍ = g 4sin(α) 7 µ Si noti però che la seconda non è accettabile poiché la condizione φ n 0 implica µ<7 e di conseguenza φ t < 0, mailsistemarichiedeφ t > 0. In definitiva si ottiene un moto uniformemente accelerato: φ t = µ p sin (α) φ n = p sin(α) x (t) =g 2sin(α) t2 + ẋ 0 t + x 0 conlecostantidiintegrazioneẋ 0 e x 0 da determinarsi imponendo le condizioni iniziali.