Quantità di moto, urti e momento angolare

annuncio pubblicitario
1. La quantità di moto
Il moto a reazione avviene per la legge di
conservazione della quantità di moto.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Il vettore quantità di moto
Il vettore quantità di moto di un corpo è dato dal
prodotto della massa per il vettore velocità.
•
ha la stessa direzione e verso del vettore velocità;
•
è proporzionale alla velocità
e alla massa (a parità di v, p è maggiore per un
treno che per un'automobile).
•
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
2. La conservazione della quantità di moto
Consideriamo un fenomeno che simula
“l’esplosione” di un corpo in due frammenti:
p totale era zero all'inizio e rimane zero alla fine.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
La conservazione della quantità di moto
Consideriamo ora i due frammenti di massa
l'una doppia dell'altra:
p totale era zero all'inizio e rimane
zero alla fine.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
La conservazione della quantità di moto
Quindi la quantità di moto di ciascun corpo
cambia, mentre la quantità di moto totale del
sistema rimane costante.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
La legge di conservazione della quantità di moto
In termini più generali si esprime:
se su un sistema non agiscono forze esterne, la
quantità di moto totale del sistema si conserva.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
3. L'impulso di una forza
Definiamo impulso di una forza F il vettore
prodotto della forza per l'intervallo di tempo
durante il quale essa agisce:
L'impulso è legato alla variazione di p:
ovvero
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Il teorema dell'impulso
Dalle formule precedenti si ricava il teorema
dell'impulso:
ovvero
La variazione della quantità di moto che una forza
determina è uguale all'impulso della forza stessa.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Minimizzare la forza d'urto
Quando si subisce un urto, c'è una grossa
variazione di p.
Poiché
, Furto=p/t.
Se il tempo dell'urto t è più lungo allora la Furto è
più piccola.
Per aumentare t , nelle cadute si piegano le
gambe.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Minimizzare e massimizzare la forza d'urto
Nelle automobili l'intervallo di tempo t viene
aumentato (e quindi Furto minimizzata) utilizzando
gli airbag e carrozzerie deformabili.
Nel karate, un brevissimo t massimizza Furto e
consente di spezzare una pila di mattoni.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
4. I princìpi della dinamica e la legge di conservazione
della quantità di moto
Consideriamo l'interazione di due corpi A e B e
utilizziamo la notazione seguente:
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
I princìpi della dinamica e la legge di conservazione
della quantità di moto
Per il III principio della dinamica:
Moltiplicando per t:
Per il teorema dell'impulso si ha:
quindi
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
I princìpi della dinamica e la legge di conservazione
della quantità di moto
La formula precedente si può scrivere:
La conservazione della quantità di moto in un
sistema isolato è conseguenza dei princìpi della
dinamica.
L'emissione di gas dai motori
dell'aereo determina la spinta
in avanti.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Una conferma sperimentale
La foto mostra l'urto di due biglie di massa
diversa:
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Una conferma sperimentale
Se rappresentiamo con frecce dello stesso colore
delle biglie le quantità di moto iniziali e finali, si
vede che la quantità di moto totale resta la stessa
prima e dopo l'urto.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
5. Gli urti su una retta
Durante un urto i due corpi che collidono
rappresentano un sistema isolato, quindi la
quantità di moto totale si conserva.
m1, m2: masse
dei corpi

v1, v2: velocità
prima dell'urto

V1, V2: velocità
dopo l'urto

Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Urto elastico
Durante un urto elastico si conservano:
•
la quantità di moto totale;
•
l'energia cinetica totale.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Urto elastico
Se conosciamo le masse di corpi e le velocità
iniziali, possiamo ricavare le velocità finali
risolvendo il sistema:
p1 + p2 = cost.
K1 + K2 = cost.
In cui compaiono due equazioni nelle due
incognite V1 e V2.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Urto completamente anelastico
I due oggetti che collidono rimangono uniti dopo
l'urto:
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Urto completamente anelastico
In un urto completamente anelastico V1 = V2 = V:
la velocità finale V è determinata dalla sola legge
di conservazione della quantità di moto.
Si ha
ovvero
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
6. Gli urti obliqui
Caso semplice: due biglie uguali di massa m, di
cui una inizialmente ferma; urto elastico.
Indichiamo con:
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Gli urti obliqui
1) Imponiamo la conservazione di p:
dividendo per m:
2) Imponiamo la conservazione di K:
ovvero
Il triangolo ABC è rettangolo.
Dopo l'urto le due biglie hanno velocità
perpendicolari tra loro.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
7. Il momento angolare
Esaminiamo i moti di rotazione.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Il momento angolare
Per descrivere le
momento angolare:
rotazioni
(Il vettore quantità di moto ha
stessa direzione e verso
del vettore velocità.)
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
introduciamo
il
Il momento angolare
Ricordando la definizione di prodotto vettoriale,
L ha:
direzione perpendicolare al piano di r e v;
verso dato dalla regola della mano destra;
modulo L dato dalle formule:
dove  è l'angolo tra i
vettori r e p.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
8. Conservazione e variazione del momento angolare
Il momento angolare totale di un sistema si
conserva se è nullo il momento totale delle forze
esterne che agiscono sul sistema stesso.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Conservazione e variazione del momento angolare
Se sul sistema agiscono delle forze che hanno
un momento totale M per un tempo t, la
variazione di L è data da:
M è il momento torcente del sistema, che è in
grado di aumentare o diminuire la velocità di
rotazione.
Copyright © 2009 Zanichelli editore
Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi
Scarica