Urti tra due punti materiali

Urti tra due punti materiali
URTO: evento isolato nel quale una forza relativamente intensa agisce per un
tempo relativamente breve su due o più corpi in contatto tra loro
r
F12
r
risultato di un contatto fisico
r
risultato di una interazione
tra particelle
r
F21
m1 m2
p
+
++
He4
meteor-crater
Le forze che, come nel caso di un urto
1200 m
agiscono per un tempo breve rispetto al
tempo di osservazione
Urti su scale diverse
sono chiamate forza impulsive
A. Romero
Dinamica VII - Urti
∆t ≈ 4 ms
α
Ν
1
Urti tra due punti materiali
L’oggetto L esercita su R una forza F(t)
L’oggetto R esercita su L forza –F(t)
F(t) può avere un’intensità che varia nel tempo
Nelle figure sono rappresentati due possibili andamenti di F(t).
L’azione della forza si esplica nell’intervallo τ =t2-t1
τ
Le forze impulsive che si manifestano durante un urto sono interne al
sistema dei due punti materiali interagenti In assenza di forze esterne si
verifica durante l’urto la conservazione della quantità di moto totale
v
v v
r
r
r
r
P = Pin = m1v1,in + m 2 v 2,in = m1v1,fin + m 2 v 2,fin = Pfin
τ
Durante l’urto la quantità di moto del centro di massa rimane invariata:
v v
v
r
P = ( m1 + m 2 ) v CM
= Pin = Pfin = costante
A. Romero
Dinamica VII - Urti
2
Urti tra due punti materiali
Il moto del centro di massa non viene alterato dall’urto. Variano
invece le quantità di moto di ciascun punto materiale per l’effetto
dell’impulso della forza di interazione
r
r
tf r
pf r
r
r
J = ∫ F (t )dt = ∫ r dp = p f − pi
ti
t2v
r
v
r
r
m1v1,fin − m1v1,in = J 2,1 = ∫ F2,1 (t )dt = ∆p1
t1
v
v
F
=
−
F
Dato che : 1,2
2,1
r
r
J1, 2 = − J 2,1
pi
t2v
r
v
r
r
m 2 v 2,fin − m 2 v 2,in = J1, 2 = ∫ F1,2 (t )dt = ∆p 2
t1
Le variazioni di quantità di moto sono uguali ed
opposte
La conservazione della quantità di moto totale è possibile in presenza di forze esterne?
Si se la durata dell’impulso τ è sufficientemente piccola e le forze esterne non sono impulsive.
Infatti la variazione della quantità di moto totale dovuta alle forze esterne:
r t2 v(E)
∆P= ∫ F (t)dt
v (E)
= Fm τ
t1
J1,2 e J2,1, prima considerati, per le forze interne impulsive che
A. Romeronell’urto, si possono scrivere:
Dinamica VII - Urti
si sviluppano
r
r t2v
J = ∫ F(t )dt = Fm τ
t1
3
Urti tra due punti materiali
Conservazione della quantità di moto
r t2v
r
J = ∫ F(t )dt = Fm τ
t1
Fm: valor medio della forza
τ
τ
impulsiva nell’intervallo τ
τ
Dato che J assume un valore finito e che τ è molto breve, Fm può assumere valori
estremamente grandi, rispetto a cui Fm(E) è certamente trascurabile
La forza esterna, se non è impulsiva, non modifica i singoli impulsi durante l’urto e quindi
rimane vera l’uguaglianza J2,1=-J1,2, e valida la conservazione della quantità di moto totale
Nel caso dell’urto la conservazione del momento angolare non aggiunge alcuna
informazione Infatti: durante l’urto r1=r2=r e quindi se Pin =Pfin
r
r
r r
r r
L in = r × Pin = L fin = r × Pfin
Nel caso dell’urto il principio di conservazione della quantità di moto ed il
A. Romero
Dinamica VII
- Urti
4
principio
di conservazione del momento
angolare
sono equivalenti
Urti tra due punti materiali
Energia
A priori non è noto se le forze interne sono conservative. Non si può assumere la
conservazione dell’energia meccanica del sistema durante l’urto nè che l’Energia
cinetica si conservi
Dato che la posizione dei punti non varia nell’urto, eventuali energie
∆Ek
potenziali non variano nell’urto e quindi: ∆Em =∆
L’energia cinetica del sistema può essere espressa utilizzando il secondo teorema di Konig:
Ek =
1
2
(m1 + m 2 )⋅ v CM
+ E'k
2
Energia cinetica del centro di massa: non varia
se vale la conservazione della quantità di moto
E 'k =
1
1
m 1 v '12 + m 2 v ' 22
2
2
A. Romero
Energia cinetica dei due punti
rispetto al sistema del centro di massa.
Può rimanere costante o variare a seconda che le forze
interne siano conservative o non siano conservative
Dinamica VII - Urti
5
Sistema del laboratorio e
sistema del centro di massa
Sistemi di riferimento in cui può essere studiato l’urto:
•Sistema del laboratorio (sistema inerziale)
•Sistema del centro di massa
Legame tra le velocità nei due sistemi, in qualsiasi istante:
v1 = v'1 + v CM
v 2 = v'2 + v CM
Come già dimostrato, nel sistema del centro di massa, la quantità
di moto totale è nulla:
r
r
r
r
m1v'1,in + m 2 v' 2,in = m1v'1,fin + m 2 v' 2,fin = 0
r
r
p'1,in = − p' 2,in
r
r
p'1,fin = −p' 2,fin
A. Romero
Dal centro di massa si vedono i punti arrivare verso il centro di massa con
quantità di moto uguali in modulo ed opposte in verso. I punti si urtano
nella posizione occupata dal centro di massa e ripartono dopo l’urto con
quantità di moto ancora uguali in modulo ed opposte in verso.
r
r
Dinamica
6
In generale per ogni
punto VII
: p- 'Urti
≠
p
'fin
in
Urto completamente anelastico
L’urto si chiama completamente anelastico quando i due punti
restano attaccati dopo l’urto, formando un unico corpo
puntiforme di massa m1+m2
Se v1 e v2 sono le velocità dei due punti prima dell’urto e v’ la velocità
comune immediatamente dopo l’urto si ha:
r
r
r
m1v1 + m 2 v 2 = (m1 + m 2 ) v'
r
r
r
m1v1 + m 2 v 2
v CM =
(m1 + m 2 )
r
= (m1 + m 2 ) v CM
Subito dopo l’urto i due punti si muovono con la velocità che aveva il
centro di massa un istante prima dell’urto (vCM resta invariata nell’urto)
Le variazioni di quantità di moto dei singoli punti sono:
r
r
r
∆p1 = m1v CM − m1v1
r
r
r
∆p 2 = m 2 v CM − m 2 v 2
Si verifica dalla relazione sopra, che queste due variazioni sono uguali ed opposte:
r
r
m1v1 + m 2 v 2
A. Romero
r
= (m1 + m 2 ) v CM
r
r
r
r
(m1v CM − m1v1 ) = −(m 2 v CM − m 2 v 2 )
Dinamica VII - Urti
7
Urto completamente anelastico
Energia cinetica
Energia cinetica prima dell’urto:
1
1
1
2
E k ,in = m1v12 + m 2 v 22 = (m1 + m 2 ) v CM + E ' k
2
2
2
Energia cinetica nel sistema del
Applicando il teorema di Konig
centro di massa
Energia cinetica dopo l’urto:
1
2
< E k ,in
E k ,fin = (m1 + m 2 ) v CM
2
In un urto completamente anelastico, l’energia totale diminuisce.
L’energia che viene assorbita è E’k e corrisponde all’energia cinetica rispetto al centro di
massa che i punti hanno prima dell’urto :
1
1
2
∆E k = E k ,fin − E k ,in = − E' k = 1 (m1 + m 2 ) v CM
− m1v12 − m 2 v 22
2
2
2
NOTA: Dove finisce l’energia persa?.
I due corpi durante l’urto si deformano in modo permanente e restano compenetrati. Il
lavoro compiuto, a spese dell’energia cinetica iniziale, per fare avvenire la deformazione non
viene più recuperato, ovvero le forze interne che si sviluppano non sono conservative.
Esempio
Un proiettile di massa mp =10g si muove orizzontalmente con v=400ms-1 e penetra in un
blocco di massa mb=390g inizialmente in quiete su una superficie priva di attrito.Quali sono
le velocità finali del proiettile e del blocco?
y
mp
Prima dell’urto
mb
v
Dopo l’urto
mb
v in
mp
o
v
v fin
x
Sol.:
Quantità di moto totale iniziale
Pin ,x = m p v in ,x =10 ⋅ 400g ⋅ ms −1 = 4 ⋅103 gms −1 = 4kg ⋅ ms −1
Quantità di moto totale finale
Pfin ,x = (m p + m b )v fin ,x = 400g ⋅ v fin ,x = 0.4kg ⋅ v fin ,x
Pin ,x = Pfin ,x
A. Romero
4kg ⋅ ms −1 = 0.4kg ⋅ v fin ,x
Dinamica VII - Urti
v fin ,x =10ms −1
9
Esempio - continuazione
y
mp
Prima dell’urto
mb
v
Dopo l’urto
mb
v in
v
v fin
mp
o
x
1
2
K i = m p v in
,x = 800J
2
NOTA 1:
Kf =
1
(m p + m b )v fin2 ,x = 20J
2
L’ energia non si conserva: calore, deformazione.
NOTA 2:
Qual è la variazione di quantità di moto del proiettile e del blocco?
v fin ,x = 10ms −1
(
)(
)(
)(
)
Proiettile: ∆Pp = p p,fin − p p,in = 10 −2 Kg 10ms −1 − 10 −2 Kg 400ms −1 = −3.9 Ns
Blocco:
A. Romero
(
)
∆Pb = (0.39Kg ) 10ms −1 − (0) = +3.9 Ns
Dinamica VII - Urti
Opposti!
10
Esempio: pendolo balistico
Dispositivo per determinare la velocità dei proiettili
Una pallottola di massa m1, che viaggia orizzontalmente con velocità v1,in urta il
pendolo di massa m2 rimanendovi conficcata. Nessuna forza esterna agisce sul sistema.
r
vf = 0
h
m1
r
v1,in
m2
per m2:
per m1:
• v2,in=0
• v1,in=v1
• v del sistema subito dopo l’urto: v2,fin = vfin
• v del sistema subito dopo l’urto: v1,fin = vfin
conservazione della quantità di moto
Pin ,x = Pfin ,x
m1 v1,in = (m1 + m 2 ) v fin
A. Romero
v fin =
Dinamica VII - Urti
m1
v1,in
m1 + m 2
11
Esempio: pendolo balistico - continuazione
r
vf = 0
h
m1
m2
r
v1,in
v del sistema subito dopo l’urto: vfin
v fin =
m1
v1,in
m1 + m 2
Terminata la collisione, il pendolo con la pallottola inizia ad oscillare raggiungendo un’altezza
h, misurata rispetto alla posizione di equilibrio, tale che l’energia potenziale eguagli l’energia
cinetica del sistema subito dopo l’urto
Conservazione dell’ energia meccanica
(m1 + m 2 ) gh = 1 (m1 + m 2 ) v fin2
2
A. Romero
m12
=
v12,in
2(m1 + m 2 )
Dinamica VII - Urti
v1,in =
m1 + m 2
2gh
m1
12
Esercizio: urto completamente anelastico
Un blocco di m1=2 kg parte da fermo, senza attrito, lungo un piano inclinato di 22° rispetto al
piano orizzontale dall’altezza di 0,65 m. All’arrivo, sul piano a quota zero, urta, attaccandovisi,
un blocco di massa m2=3,5 kg. I due blocchi congiunti slittano per una distanza di 0,57m sul
piano orizzontale fino ad arrestarsi. Qual è il coefficiente di attrito della superficie orizzontale?
2kg
3,5 kg
h=0,65 m
22°
0,57 m
Sol.:
Moto del blocco di 2 kg Per trovare la velocità finale di m1, prima dell’urto con m2
applichiamo la conservazione dell’energia
1
m1gh = m1v12
2
v1 = 2gh = 2 ⋅ 9,8 ⋅ 0,65 = 3,57
m
s
Subito dopo l’urto i due punti blocchi si muovono insieme con la velocità (vf):
m1
m
v
=
v1 = 2 3,57 = 1,3 m
v
1
,
3
fin
=
m1v1 = (m1 + m 2 ) v fin
fin
m1 + m 2
s
5,5
s
13
Esercizio: continuazione
2kg
3,5 kg
h=0,65 m
v fin = 1,3
22°
m
s
l =0,57 m
Moto dei due blocchi
Dall’istante dopo l’urto i due blocchi si muovono sul piano orizzontale con velocità
iniziale vf e decelerazione costante data dall’attrito dinamico:
Utilizzando il legame tra variazione dell’energia cinetica e lavoro
1
2
( m 1 + m 2 ) v f = µ k ( m 1 + m 2 )g ⋅ l
2
∆E k = Wat
µ
A. Romero
k
v f 2
=
2lg
= 0,15
Dinamica VII - Urti
14
Esercizio: continuazione
2kg
Utilizzo le equazioni del moto
3,5 kg
h=0,65 m
v fin = 1,3
22°
m
s
l =0,57 m
Moto dei due blocchi
Dall’istante dopo l’urto i due blocchi si muovono sul piano orizzontale con velocità
iniziale vf e decelerazione costante data dall’attrito dinamico: a = f k
m
Utilizzando le equazioni del moto uniformemente decelerato:
v( t ) = v f − at
1
x ( t ) = v f t − at 2
2
Per x(t)=l, v(t)=0
vf 2
l=
2µ k g
A. Romero
=
µ k mg
m
a = µkg
vf
µkg
0 = v f − (µ k g )t
t=
1
l = v f t − (µ k g )t 2
2
 v  1
 v 
l = v f  f  − (µ k g ) f 
 µkg  2
 µkg 
vf 2
= 0,15
µk =
2l g
Dinamica VII - Urti
15
2
Urto elastico
Si definisce urto elastico, un urto durante il quale si conserva anche
l’energia cinetica del sistema
Le forze interne sono conservative.
I due corpi che urtano subiscono, durante l’urto, delle deformazioni
elastiche, riprendendo la configurazione iniziale subito dopo l’urto.
r
r
Pfin = Pin
Nell’urto elastico sono dunque valide le equazioni:
E k ,fin = E k ,in
Sistema di riferimento
Sistema di riferimento
del laboratorio
del centro di massa
16
Urto elastico
Caso unidimesionale
I due corpi si muovono prima e dopo l’urto elastico lungo la stessa direzione.
Supponendo di conoscere le masse e le velocità iniziali dei due
corpi che urtano, attraverso le due equazioni di conservazione:
r
r
Pfin = Pin
E k ,fin = E k ,in
possiamo ricavare il valore delle due velocità finali incognite:
r
r
Pin = Pfin
r
r
r
r
r
m
v
+
m
v
=
m
v
+
m
v
=
(
m
+
m
)
v
⇒
1 1in
2 2in
1 1fin
2 2 fin
1
2
CM
E k ,fin = E k ,in ⇒
v1,fin
1
1
1
1
m1v12in + m 2 v 22i,in = m1v12,fin + m 2 v 22,fin
2
2
2
2
(m1 − m 2 ) v1,in + 2m 2 v 2 ,in
=
m1 + m 2
v 2 ,fin =
Sistema del laboratorio
Sistema del centro di massa
2m1 v1,in + (m 2 − m1 ) v 2 ,in
m1 + m 2
A. Romero
Dinamica VII - Urti
17
Sistema del laboratorio
Urto elastico
v1,fin
Caso unidimesionale
(m1 − m 2 ) v1,in + 2m 2 v 2 ,in
=
m1 + m 2
v 2 ,fin
2m1 v1,in + (m 2 − m1 ) v 2 ,in
=
m1 + m 2
Attenzione ai segni delle velocità!Prendendo come riferimento il verso di v1,in, allora v2,in va
considerata con segno positivo se è concorde a v1,in, o negativo se è discorde.
Segno delle velocità finali: - positivo ⇒ velocità concorde a v1,in
- negativo ⇒ velocità discorde a v1,in
Nel sistema del centro di massa per
l’urto elastico si ricava:
r
r
v'1,fin = − v1,in
Sistema del centro di massa
r
r
v'2,fin = − v 2,in
Velocità e quantità di moto di ciascun punto rimangono
invariate in modulo, cambiano solo il verso
18
Esempio – urto elastico
Un neutrone di massa m1 urta frontalmente, in modo elastico un bersaglio costituito da un
nucleo atomico di massa m2 inizialmente fermo. Qual è la diminuzione percentuale
dell’energia del neutrone? Fare il calcolo nei casi in cui il nucleo bersaglio sia:
1) Piombo; (massa atomica: A=206)
2) Carbonio; (massa atomica: A=12)
r
v1,in
3) Idrogeno. (massa atomica: A=1)
Sol.:
v 2,fin =
1
E k ,in = E k ,1,in = m1v12,in
2
2m1v1,in + (m 2 − m 2 ) v 2,in
m1 + m 2
1
E k , 2,fin = m 2 v 22,fin
2
E k , 2,fin = E k ,1,in − E k ,1,fin = 1 m 2 v 22,fin
2
dove in questo caso v2,in=0
4m1m 2
4m12 v12,i
1
=
E
E k , 2,fin = m 2
2 k ,1,in
2
(
)
m
+
m
2
(m1 + m 2 )
1
2
Caso: 1) A= 206: m2=206m1
Caso: 2) A= 12: m2=12m1
Caso: 3) A= 1: m2=1m1
E k , 2,fin
E k ,1,in
E k , 2,fin
E k ,1,in
E k , 2,fin
E k ,1,in
=
=
=
4m1m 2
(m1 + m 2 )2
4m1m 2
(m1 + m 2 )2
4m1m 2
(m1 + m 2 )2
 2m1
v 2,fin = 
 m1 + m 2
E k ,2,fin
E k ,1,in
=
4⋅ 206
(207 )2
=
=
4⋅12
(13)2
4⋅1
(2 )2
=

 v1,in

4 m1 m 2
(m1 + m 2 )2
= 0,02
2%
= 0,28
28%
=1
100%
Urti tra punti materiali e corpi rigidi e urti tra corpi rigidi
Riassunto per la risoluzione degli esercizi:
Se urto è elastico
Conservazione dell’energia cinetica
Se agiscono solo forze interne o
Conservazione della quantità di moto totale
quelle esterne non sono impulsive
Se esiste un vincolo che tiene
Esiste una forza esterna di
La quantità di moto
fermo un punto del corpo rigido
tipo impulsivo
non si conserva
Se agiscono solo forze interne o
Conservazione del momento angolare L,
quelle esterne non sono impulsive
indipendentemente dalla scelta del polo O
Se agiscono forze esterne, il cui momento
Conservazione del momento angolare L
M è nullo rispetto ad un dato polo
calcolato rispetto allo stesso polo O
Quando il corpo urtato è vincolato, il sistema di vincoli può esplicitare, durante l’urto, un
sistema di forze di risultante R e un momento risultante M.
r r
L’effetto complessivo nel brevissimo tempo di durata dell’urto è
J = ∫ Rdt
r
dato dall’impulso della forza e dall’impulso angolare:
r r
r × J = ∫ Mdt
A. Romero
Dinamica VII - Urti
20
Esercizio – urti tra punti materiali e corpo rigido
Una sbarra omogenea di lunghezza L e massa M, è sospesa nel punto O ed è libera di ruotare nel piano
verticale attorno ad un asse orizzontale passante per tale punto. Inizialmente la sbarra è inclinata di un
angolo θ0, rispetto alla direzione verticale (vedi figura) e da questa posizione ad un dato istante viene
lasciata cadere.
Raggiunta la posizione verticale essa colpisce, una massa puntiforme m appoggiata sul piano.
Nell’ipotesi in cui l’asta ruoti attorni ad O senza attrito e che l’urto con la massa m sia completamente
anelastico, calcolare:
•A. Il modulo della velocità angolare ω0 con cui la sbarra urta la massa m appoggiata sul piano.
•B. L’angolo θfin, rispetto alla direzione verticale, del quale si sposta la sbarra, in seguito all’urto con la
massa puntiforme.
θ0
A. Romero
Dinamica VII - Urti
21
Esercizio – urti tra punti materiali e corpo rigido
θ0
L
h
E k ,in + E p ,in = E k ,fin + E p,fin
Sol.: Il moto della sbarra può essere schematizzato in 3 fasi:
1. fase di discesa della sbarra
2. urto completamente anelastico con m
3. risalita del sistema sbarra + massa
Fase 1: E’ possibile applicare la conservazione dell’energia
meccanica per la sbarra tra l’istante iniziale in cui la sbarra è
ferma a θ0 rispetto alla direzione verticale e l’istante finale
immediatamente precedente all’urto con la massa m:
0 + Mgh =
1 2
L
Iω + Mg
2
2
L
Mg L − cos θ 0 
2


L
h =  L − cos θ 0 
2


L
11
L
 2
Mg L − cos θ 0 =  ML 2  ω 0 + Mg
2
 2 3

2

A. Romero
=
1
L
I 0 ω 0 2 + Mg
2
2
1
I 0 = ML2
3
ω0 =
3g
(1 − cos θ 0 )
L
Dinamica VII - Urti
22
Esercizio – urti tra punti materiali e corpo rigido
Sol. - continuazione:
Fase 2: Durante l’urto si ha la CONSERVAZIONE DEL MOMENTO
ANGOLARE TOTALE del sistema barra+massa rispetto al polo O:
L in (sbarra ) + L in (m) = L fin (sbarra + m)
θ0
L
h
2
I 0 ω 0 + 0 = ( I 0 + mL ) ω'
1
I 0 = ML2
3
1 ML 2
3
ω'=
ω
1 ML 2 + mL 2 0
3
A. Romero
Dinamica VII - Urti
23
Esercizio – urti tra punti materiali e corpo rigido
Sol. - continuazione:
θ0
L
Fase 3: Durante la risalita del sistema sbarra + m si ha la
CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA MECCANICA
h
E k ,in (sbarra + m) + E p,in (sbarra + m) = E k ,fin (sbarra + m) + E p,fin (sbarra + m)
(
)
1
L
L
I 0 + mL 2 ω ' 2 + Mg
= 0 + mg ( L − L cos θ fin ) + Mg ( L − cos θ fin )
2
2
2
(
)
1 I + mL 2 ω' 2
0
(1 − cos θ fin ) = 2
 M + m  gL


 2

A. Romero
Dinamica VII - Urti
θfin
24