Moto di puro rotolamento Definizione: quando un corpo rotola senza strisciare, ovvero la velocità del punto di contatto (P in figura) lungo il piano di contatto è nulla. Il moto di puro rotolamento può essere descritto come un moto di rotazione attorno ad un asse istantaneo passante per il punto P, di velocità angolare ω; il centro di massa ha velocità vcm = ωR, dove R è il raggio della ruota. Il punto P ha velocità nulla! Descrizione alternativa: moto di traslazione del centro di massa con velocità vcm, più un moto rotatorio attorno al centro di massa con velocità angolare ω. Valgono le seguenti condizioni di puro rotolamento: ds dθ vcm = = R = Rω dt dt , dvcm dω acm = =R = Rα dt dt Attrito nel moto di puro rotolamento In verde la traiettoria del centro di massa (che è anche il centro della ruota), in rosso la traiettoria del punto P (nota come cicloide): x = R sin(ωt) + ωRt y = R cos(ωt) + R Il moto di rotolamento puro può richiedere la presenza di attrito! Tuttavia l’attrito non fa lavoro: dW = F~a · d~r = 0 perché il punto P di contatto è fermo. Per lo stesso motivo, l’attrito è presente solo come attrito statico (l’attrito dinamico è presente solo se il corpo striscia) Esempio: Energia cinetica di un corpo che rotola Corpo rigido di massa M , velocità del centro di massa v, momento d’inerzia I per rotazioni attorno al centro di massa, velocità angolare ω. Energia cinetica totale: 1 1 2 2 K = M v + Iω 2 2 Esempio: sfera (o cilindro) che rotola giù per un piano inclinato. Avremo: v2 2 I R2 v = ωR (condizione di puro rotolamento), K = M+ . Per la conservazione dell’energia meccanica, v2 I Ui = M g(h + R) = 2 M + R2 + M gR = Kf + Uf q q gh 10gh 2 da cui v = M2M . Per una sfera: I = 2M R /5, v = 7 . +I/R2 Notare che v < √ 2gh, velocità finale senza rotolamento, per qualunque I. Perché? Esempio: Dinamica di un corpo che rotola Risolviamo ora lo stesso problema con forze e momenti. • Lungo il piano: M a = M g sin θ − Fa, dove Fa è la forza di attrito • Ortogonale al piano: N = M g cos θ, dove N è la reazione vincolare • Rispetto al centro della sfera: Iα = τ = RFa, dove α = a/R. Sostituendo dall’ultima equazione Fa = Ia/R2 nella prima, si ottiene (M + I/R2)a = M g sin θ da cui: M g sin θ a= , 2 M + I/R per una sfera: 5 a = g sin θ 7 ovvero un moto uniformemente accelerato, che può essere facilmente risolto e dà lo stesso risultato del calcolo precedente. Esempio: Forze in un corpo che rotola Notare che • l’attrito entra nelle equazioni del moto anche se non fa lavoro IF • la forza di attrito vale Fa = M R 2 +I , dove F = M g sin θ è forza che spinge il corpo, ed è opposta a questa • deve valere la condizione Fa ≤ µsN = µsM g cos θ o altrimenti il corpo inizia a scivolare! Risolviamo ora il problema come moto di rotazione attorno ad un asse passante per il punto di contatto istantaneo. L’equazione del moto è I 0α = τ = RM g sin θ dove I 0 = I + M R2 (teorema degli assi paralleli) da cui si ritrova il risultato precedente. Notare come la soluzione sia più semplice e l’attrito non compaia più. Esempio: Moto causato da momento torcente Nel caso precedente, una forza esterna applicata al corpo causa il rotolamento. In altri casi (esempio: ruota di automobile) un momento torcente causa il moto di rotazione Dalle equazioni Iα = τ − RFa e M a = Fa e dalla condizione a = αR di puro rotolamento otteniamo a = Rτ , I+M R2 Fa = M Rτ . I+M R2 Da notare che è la forza di attrito che spinge la ruota in avanti! A parità di accelerazione, la forza di attrito è maggiore se il corpo è spinto da una forza esterna o da un momento torcente? per rispondere, servono i risultati ottenuti per il corpo che rotola da un piano inclinato: a= F R2 , I+M R2 Fa = IF , I+M R2 dove F è la forza che spinge il corpo.