Laboratorio di Fisica per Scienze Naturali Esperienza n 1 Verifica della legge di Hooke Misura dei coefficiente di elasticità di molle di acciaio. Scopo dell'esperienza 1) verifica del fatto che l’ allungamento di una molla segue approssimativamente la legge di Hooke. 2) misura diretta (statica) della costante elastica k di tre diverse molle. 3) misura indiretta (dinamica) della costante elastica k dal periodo di oscillazione di un pendolo a molla 1. Dispositivo sperimentale: Massa appesa Figura 1- Dispositivo sperimentale Legge fìsica F = k(x - x0), (1) dove x0 è la lunghezza a riposo della molla e x la lunghezza della molla caricata dal peso di masse appese alla molla. La quantità ∆x = x — x0, rappresenta l'allungamento o deformazione della molla. La forza applicata e’ la forza peso: F = mg dove m e’ la massa di ciascun peso e g e’ l’ accelerazione di gravità g = 9.8 m/s2 Si dispone di 5 masse eguali che possono essere collegate tra di loro. La forza applicata può pertanto essere variata e vale Fn = n mg con n = numero delle masse appese. Dispositivo sperimentale – (Figura 1) Si dispone di : o un sostegno verticale a cui si possono appendere le molle e successivamente in numero crescente, le cinque masse a disposizione. o Le tre molle di cui si deve misurare il coefficiente di elasticità che hanno diversi coefficiente di elasticità. Pertanto la misura deve essere ripetuta tre volte o Una bilancia elettronica per la misura delle masse. o un regolo graduato in mm, dotato di due cursori che possono essere posizionati indipendentemente per la misura dell’ allungamento delle molle. o un cronometro elettronico per la misura di intervalli di tempo 2 Misura diretta dell’ allugamento della molla Procedimento sperimentale: o Verificare con la bilancia i valori delle masse a disposizione. o Appendere una molla al sostegno e misurare la sua lunghezza (x0) con il cursore graduato in assenza di forze applicate (F0 = 0) x x5 x4 x3 x2 x1 x0 F1 F2 F3 F4 F5 F Figura 2 Rappresentazione grafica dei dati di misura per una molla o Appendere successivamente le 5 masse corrispondenti a forze peso applicate Fn = n mg ed misurare le rispettive lunghezze xn con n= 1…5 accostando il cursore millimetrato sempre alla stessa posizione di riferimento. o Costruire un grafico delle coppie (Fn,xn) di valori misurati, che appare approssimativamente come in Figura 2 . I dati si dispongono approssimativamente sulla retta: x = a 0+ a 1 F (2) dove a0 e a1 sono i due coefficienti della retta che devono essere calcolati dalle misure sperimentali con il metodo dei “minimi quadrati. Il confronto con la 1) mostra che a0 = x0 e’ il valore piu’ probabile della lunghezza della molla scarica e a1 , coefficiente angolare della retta e’ l’ inverso del valore del coefficiente di elasticità. o Ripetere la stessa misura per le altre due molle e riportarle sullo stesso grafico Analisi dei dati E’ possibile derivare il valore più probabile del coefficiente di elasticità calcolando l’ equazione della retta che meglio approssima i dati per mezzo del metodo dei minimi quadrati che consiste nel rendere minima la somma degli scarti tra le misure effettivamente ottenute e il valore atteso della funzione x per i rispettivi valori dei pesi applicati Fn= n mg N S = ∑ [ x n − x( Fn )]2 (3) 1 Si e’ dimostrato che col metodo dei minimi quadrati si ottiene: N N N ∑ x ⋅∑ F n x0 = 1 2 n 1 N N N 1 1 − ∑ Fn ⋅ ∑ x n Fn N N ∑ Fn − (∑ X n ) 2 1 2 1 = k N N N ∑ Fn x n − ∑ Fn ⋅ ∑ x n 1 1 N N ∑ Fn − (∑ X n ) 1 1 1 2 (4) N 2 1 il calcolo fornisce anche il valore più probabile della lunghezza della molla scarica, basata su tutte le misure effettuate. o Calcolare e tracciare l’ equazione della retta più probabile sul grafico delle misure per tutte e tre le molle. 3) Costante di elasticita’ dalla misura del periodo di un oscillazione La molla con una massa appesa funziona come un pendolo a molla con una legge del moto di tipo armonico smorzato: x(t ) = A ⋅ e −γt sin(ωt + φ ) dove ω = 2π/T e’ la frequenza angolare e T il periodo dell’ oscillazione φ e’ la fase iniziale, A e’ l’ampiezza massima e γ il coefficiente di attenuazione. La legge del moto é rappresentata in Figura 3 T A n–1 esima oscillazione n esima oscillazione A n = ε A n-1 t Figura 3 ca Il periodo di oscillazione dipende dalla costante di elasticità k come : ω= k m (5) dove m e’ la massa appesa e g è l’ accelerazione di gravità g = 9.81m s-1. Pertanto la costante elastica può essere dedotta dalla misura del periodo di oscillazione: 2π k = m ⋅ ω2 = m ⋅ ( ) 2 (6) T La costante di smorzamento ottiene misurando il rapporto tra le ampiezze massime dell’ oscillazione ad un tempo t qualunque ed ad un tempo t+nT dove n e’ un numero intero di periodi. E’ A(t ) 1 A(t + nT ) e −γnT = ossia γ = ln[ ] (7) A(t + nT ) nT A(t ) Procedimento sperimentale o Appendere una o più delle masse a disposizione ad una molla. o Spostando di poco la massa dalla sua posizione di equilibrio, mettere il pendolo in oscillazione verticale. o Iniziando e terminando ad un istante di ampiezza massima o minima, misurare col cronometro un intervallo ∆t = nT con n ~ 50. Ripetere la misura 10 volte. o Misurare con i due riferimenti del regolo graduato l’ ampiezza massima dell’ oscillazione ad un tempo t e a tre tempi successivi t+20T, t+40T, t+60T. Analisi dei dati o Costruire l’ istogramma dei dati. o Calcolare il valor medio, l’ errore sulla singola misura e sul valor medio della misura del periodo Dal valore medio del periodo e dalla (6) calcolare il valor medio del coefficiente di elasticità k e confrontarlo con il valore ottenuto con la misura diretta o Dalla misura dell’ ampiezza e della frequenza dell’ oscillazione ad un certo istante t calcolare la massima velocità, energia cinetica ed accelerazione del pendolo. o Utilizzando la (7) dedurre il coefficiente di attenuazione dell’ oscillazione. Stimare l’ errore della misura singola. Relazione sull’ esperimento L’ esperimento effettuato deve essere descritto da una breve relazione, in cui sono riportati: o I risultati delle misure effettuate o L’analisi dei dati o Eventuali commenti sulle difficoltà incontrate nell’esecuzione dell’ esperimento Pendolo a molla Se lo stesso sistema molla + massa è disposto verticalmente si realizza il dispositivo del pendolo a molla. Le forze in gioco sono lievemente diverse dal caso precedente perché ora al corpo oltre alla forza elastica è applicata anche la forza di gravità. In condizioni statiche il corpo e’ in equilibrio quando la somma delle forze si annulla ossia quando mg - kd = 0 Se il peso viene spostato vero l’ alto in posizione y la forza agente e’: Fy= k (d-y) - mg e l’ equazione della dinamica e’: k (d-y) - mg = ma Anche la legge del moto di un corpo appeso alla molla e’ del tipo d2y/dy2 = -(k/ m) y k e pertanto e’ un moto armonico con frequenza angolare ω y = A cos(ω ω t + φ) m La misura del periodo del pendolo permette permette una misura indiretta ma precisa della costante di elasticità della molla k Questa misura sarà effettuata in Laboratorio Posizione di equilibrio d