studio delle forze che causano il moto dei corpi

DINAMICA DEL PUNTO MATERIALE
E
CONCETTO DI FORZA
Dinamica:
studio delle forze che causano il moto dei corpi
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Forza
Si definisce forza una qualunque causa esterna che produce
una variazione dello stato di moto o di quiete di un corpo
Alcuni fatti sperimentali dall’esperienza quotidiana:
• Con una forza muscolare si riesce a spostare un corpo “leggero” ma non un
corpo troppo “pesante”;
• Per rallentare un corpo in moto bisogna trattenerlo a forza o farlo muovere
su una superficie ruvida;
• Una superficie riesce a sostenere un corpo “pesante” se è molto solida e se
il peso è ben distribuito su di essa;
• Se un corpo viene tirato o spinto da parti opposte può deformarsi, rompersi
o muoversi in una delle due direzioni a seconda del materiale di cui è
composto e della forza trainante.
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Forze a contatto
Forze a distanza
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Leggi di Newton
Sir Isaac Newton (1643 – 1727) è stato un matematico, fisico e alchimista
inglese, è considerato una delle più grandi menti di tutti i tempi.
Formulò le leggi della meccanica, scoprì la legge della gravitazione
universale.
A seguito delle sue teorie fu in grado di spiegare il moto dei pianeti, le maree,
il moto della luna e della Terra.
I suoi contributi alle teorie fisiche furono dominanti fino all’avvento della
Meccanica Quantistica e rimangono importanti ancora oggi.
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Principio d’inerzia o 1° legge di Newton
In assenza di forze esterne, un corpo in quiete rimarrà in
quiete, ed un corpo in moto persevererà nello stato di moto
con velocità costante (vale a dire, di moto rettilineo a velocità
costante).
• Il principio di inerzia ci dice che cosa
accade in assenza di forze.
• Sistema di Riferimento Inerziale:
sistema di riferimento in cui è valida la
1° legge di Newton.
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Legge fondamentale della dinamica o
2° legge di Newton
L’accelerazione di un corpo è direttamente proporzionale alla
forza risultante agente su di esso ed inversamente
proporzionale alla sua massa.
𝐹 = π‘šπ‘Ž
Unità di misura della forza: NEWTON
1𝑁 =
1π‘˜π‘”βˆ™1π‘š
1𝑠 2
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Esercizio 1 (sul 2° principio della meccanica)
Su un corpo di massa π‘š = 200𝑔 vengono applicate due forze in
direzione orizzontale: 𝐹1 = 4𝑁 ed forza 𝐹2 = −2𝑁 . Che accelerazione
subisce il corpo?

F1 ο€½ (4,0)

F2 ο€½ (ο€­2,0)
 


R ο€½ F1  F2 ο€½ ma

R ο€½ ( Rx , R y )
π‘­πŸ
m
π‘­πŸ
ghiaccio
Ry ο€½ 0
Rx ο€½ F1  F2 ο€½ 4 ο€­ 2 ο€½ 2 N

a ο€½ (a x , a y )
ay ο€½
Ry
ax ο€½
Rx
2N
m
ο€½
ο€½ 10 2
m
0.2kg
s
m
π‘š = 200𝑔
𝐹1 = 4𝑁
𝐹2 = −2𝑁
π‘Ž =?
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Esercizio 2 (sul 2° principio della meccanica)
Un bambino tira una slitta con una corda che forma un angolo πœƒ = 40°
con una forza 𝐹 = 60𝑁. Determinare la forza 𝐹π‘₯ che effettivamente
contribuisce al moto e la componente 𝐹𝑦 che controbilancia la forza
peso 𝑃.
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Principio di azione e reazione
o 3° legge di Newton
Se un corpo 1 esercita una forza su un corpo 2, a sua volta 2
esercita su 1 una forza uguale e contraria.
o anche:
Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e opposta.
𝐹12 = −𝐹21
Esempi quotidiani:
• spinta all’indietro
• sostegno oggetto/tavolo
• propulsione nel nuoto
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Spinta all’indietro
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Sostegno oggetto/tavolo
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Propulsione nel nuoto
Propulsione: spostamento di un fluido (liquido o aeriforme)
• Il fluido viene spinto all’indietro dalle braccia
• Il fluido reagisce con una forza in avanti che fa avanzare il corpo
• Grazie alla propulsione gli aerei volano, le navi navigano, i razzi
vanno in orbita
• In questi casi, i motori effettuano la spinta dell’acqua all’indietro
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Esercizio 3 (sul 3° principio della meccanica)
Due ragazzi di massa rispettivamente 50 kg e 60 kg, si spingono reciprocamente sui
pattini. Se il primo applica una forza di 50 N al secondo, (a) quale sarà la forza che il
secondo applica al primo? (b) Con quale accelerazioni si muoveranno i due ragazzi
supponendo trascurabili gli attriti?
π‘š1 = 50 π‘˜π‘”
π‘š2 = 60 π‘˜π‘”
𝐹12 = 50 𝑁
𝐹21 = ?
π‘Ž1 =?
π‘Ž2 =?
(a) 𝐹12 = 𝐹21 = 50 𝑁
π‘­πŸπŸ
m1
π‘­πŸπŸ
m2
ghiaccio
(b) Sul corpo 1 agisce la forza 𝐹21 , e quindi: 𝐹21 = π‘š1 π‘Ž1 , da cui:
𝐹21
50𝑁
π‘Ž1 =
=
= 1π‘š 2
𝑠
π‘š1 50π‘˜π‘”
Analogamente, sul corpo 2 agisce la forza 𝐹12 , e quindi: 𝐹12 = π‘š2 π‘Ž2 , da cui:
𝐹12 −50𝑁
π‘Ž2 =
=
= −0.83 π‘š 2
𝑠
π‘š2
60π‘˜π‘”
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Forza gravitazionale
πΊπ‘š1 π‘š2
𝐹=−
π‘Ÿ
2
π‘Ÿ
Tra due corpi di massa π‘š1 e π‘š2 , posti a distanza r, si esercita sempre una
forza di attrazione:
• diretta lungo la congiungente tra i due corpi,
• proporzionale alle due masse ,
• inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza ,
• 𝐺 = 6.67 ×
2
−11 𝑁 π‘š
10
π‘˜π‘”2
• negativa perché attrattiva
•... troppo piccola per essere osservata tra corpi “normali” ...
Forza gravitazionale
π‘š1
π‘š2
πΊπ‘š1 π‘š2
𝐹=−
π‘Ÿ
2
π‘Ÿ
Se π‘š aumenta,
la forza di gravità aumenta
Se π‘Ÿ aumenta,
la forza di gravità diminuisce
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Forza gravitazionale sulla terra
𝐺 π‘š 𝑇𝐸𝑅𝑅𝐴 π‘š
𝐹=−
π‘Ÿ = π‘šπ‘”
2
π‘Ÿπ‘‡πΈπ‘…π‘…π΄
• 𝑔 è un’accelerazione
• 𝑔 dipende dalla quota
• nelle vicinanze della superficie della terra: 𝑔 = 9.8
π‘š
𝑠2
Forza peso
L’atmosfera terrestre costituisce una regione di spazio vicina alla superficie
della Terra che è sede di un campo di forza gravitazionale: ogni corpo di
massa π‘š che si trova in quella regione risente di una forza peso diretta
verticalmente verso il basso.
𝑷 = π’Žπ’ˆ
Massa, peso, densità
Massa (π’Ž)
• Grandezza scalare fondamentale
• Proprietà intrinseca dei corpi (quantità di materia contenuta in corpo)
• Unità di misura: kg
Peso (𝐏 = π’Žπ’ˆ ):
• Forza con cui ogni corpo dotato di massa viene attirato dalla terra
π‘˜π‘”βˆ™π‘š
• Unità di misura: N = 2 π‘š
𝑠
Densità (d = massa/volume)
• Relazione tra massa e dimensione dei corpi
π‘˜π‘”
• Unità di misura: 3
π‘š
Esercizio 4 (sulla forza gravitazionale e forza peso)
Quanto vale la forza gravitazionale tra la terra e un corpo di massa
π‘š = 1 π‘˜π‘” posto sulla superficie della Terra?
π’Ž
π‘š = 1 π‘˜π‘”
𝑀𝑇𝐸𝑅𝑅𝐴 = 5.98 × 1024 π‘˜π‘”
𝑅𝑇𝐸𝑅𝑅𝐴 = 6.38 × 106 π‘š
𝐹 =?
𝑭
mM
F ο€½ G
ο€½
2
r
2

ο€­11 N m
ο€½  6.67 οƒ— 10
2
kg

ο€½ 9.799 N


οƒΆ 1 kg  5.98 οƒ— 10 24 kg
οƒ·
ο€½
2
οƒ·
6.38 οƒ— 106 m
οƒΈ


21
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FORZE DI REAZIONE VINCOLARE
• Sono le forze esercitate dai vincoli cui è soggetto il corpo.
• L’azione del vincolo è rappresentata da una forza detta reazione
vincolare.
Il corpo è in equilibrio sotto l’azione della forza peso 𝑷 e della
reazione vincolare 𝑡 (normale alla superficie di contatto).
𝑡 = −𝑷
𝑷 = π’Žπ’ˆ
𝑡
𝑷
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Esercizio 5 (sul 2° principio della meccanica)
Una macchina ferma dal peso P è su una salita che forma un angolo πœƒ
con il piano orizzontale. Quale forza devono esercitare i freni per non
farla cadere?
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Tensione dei fili
Un modo comune di esercitare una forza è tirarlo con una fune.
Un filo inestensibile in tensione sviluppa forze uguali ed opposte ai
suoi capi. La forza 𝑻 si chiama tensione del filo.
Corda fissata ad un estremo
𝑻 𝑭
Corda tirata da ambi gli estremi
• Se la corda venisse tagliata in un punto qualsiasi, la forza
necessaria per mantenere insieme i due pezzi sarebbe proprio
uguale a 𝑻.
• La tensione del filo è sempre parallela al filo.
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Tensione dei fili
Massa appesa ad una fune
Considerando trascurabile il peso della fune, si ha che la tensione è
uguale lungo tutta la lunghezza della fune.
Questo principio, è alla base dell’utilizzo di carrucole per modificare
la direzione di una forza
−𝑻
𝑷
𝑻
𝑭
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Esercizio 6 (trazione di una gamba rotta)
Un meccanismo di trazione, che impiega tre pulegge, è applicato ad
una gamba rotta, come mostrato in figura. La puleggia di mezzo è
attaccata alla base del piede ed una massa m fornisce la tensione della
fune. Determinare il valore della massa m se la forza esercitata sulla
base della puleggia di mezzo è 165 N.
𝑡
π‘»πŸ
π‘»πŸ
𝑭
40°
π‘»πŸ
π‘»πŸ
𝑷
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π‘»πŸ
πœƒ = 40°
𝑭
40°
π‘»πŸ
π‘š = 11 π‘˜π‘”
P = T1 = T2 = mg
𝐹 =?
𝐹 = 𝑇1 π‘π‘œπ‘ πœƒ + 𝑇2 π‘π‘œπ‘ πœƒ =
= 2𝑇 π‘π‘œπ‘ πœƒ =
= 2 π‘šπ‘” π‘π‘œπ‘ πœƒ =
= 2 11π‘˜π‘” 9.8 π‘š
𝑠2 0.77 =
= 166 𝑁
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Forze attrito
Le forze di attrito si sviluppano fra superfici ruvide ed hanno le
seguenti caratteristiche:
• dipendono dallo stato di rugosità delle superfici a contatto
(coefficiente di attrito m);
• hanno la conseguenza di impedire (attrito statico) o
(attrito dinamico) il movimento relativo di tali superfici.
attrito statico
attrito dinamico
decelerare
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