IL PENDOLO FISICO Pendolo fisico (o composto): qualsiasi corpo rigido che, sotto l’azione della gravità, può oscillare liberamente attorno ad un asse orizzontale passante per un punto diverso dal suo centro di massa. Z asse orizzontale privo d’attrito (asse di rotazione); O punto del corpo (perno) appartenente all’asse di rotazione; C centro di massa del corpo. Se z è la componente lungo l’asse Z del momento della forza peso del corpo calcolato rispetto al punto O, allora: I d dt d2 I dt 2 z m g b sin 1 sin Equazione differenziale del pendolo fisico nel limite delle piccole oscillazioni: d2 dt 2 mgb I 0 mK2 I d2 dt 2 gb K2 0 ossia: d2 dt 2 2 0 (6) con: 2 gb K2 Soluzione dell’equazione differenziale (6): 0 cos ( t 0 ) Periodo d’oscillazione del pendolo fisico nel limite delle piccole oscillazioni: P 2 2 K2 gb (7 ) Il periodo d’oscillazione è indipendente dalla massa del corpo e dalla forma geometrica fino a che il rapporto K2/b resta invariato. Confrontando la (7) con l’omologa grandezza relativa al pendolo semplice: P 2 2 l g è possibile definire la cosiddetta lunghezza ridotta del pendolo fisico: lR K2 b Un pendolo semplice di lunghezza lR ha lo stesso periodo del pendolo fisico in esame. Tutta la massa del pendolo fisico può essere pensata concentrata in un punto Q la cui distanza dal perno è pari a lR. Tale punto è chiamato centro d’oscillazione del pendolo fisico. L’OSCILLATORE ARMONICO SMORZATO Esempio di oscillatore smorzato: ad un corpo oscillante di massa m è attaccata una pala di massa trascurabile immersa in un fluido; il piano d’appoggio è liscio. Analisi delle forze Forza elastica (di richiamo): Fe k x xˆ Forza d’attrito: Fa bv b dx x̂ dt dove il parametro positivo b dipende dalle proprietà del fluido e dalla forma e dalle dimensioni della pala e del recipiente. Equazione del moto F Fe dv m dt Fa dx k x xˆ b xˆ dt d 2x m 2 xˆ dt Equazione differenziale dell’oscillatore smorzato: d 2x m 2 dt b dx kx dt 0 (8) Soluzione dell’equazione differenziale (8): x Ae bt 2m valida per b cos ( t 0) Ae t cos ( t 0 ) 2 km . Nella precedente: k m Il parametro oscillazioni. b 2m 2 2m b è detto costante temporale di smorzamento delle (a) Oscillazioni non smorzate nel caso in cui la fase iniziale è nulla. (b) Oscillazioni poco smorzate con frequenza prossima a quella delle oscillazioni mostrate in (a). Oscillazioni con smorzamento non trascurabile Osservazioni La frequenza d’oscillazione è minore di quella propria del sistema : l’attrito rallenta il moto oscillatorio. L’ampiezza del moto decresce esponenzialmente nel tempo: è il tempo necessario affinché l’ampiezza si riduca di un fattore 1/e. Se b = 0 (smorzamento nullo), e l’ampiezza rimane costante. Nel caso di massimo smorzamento (b = 2 k m ), allora = 0 e x tende esponenzialmente a zero senza oscillare (smorzamento critico). L’OSCILLATORE ARMONICO FORZATO Esempio di oscillatore forzato: ad un corpo oscillante di massa m è attaccata una pala di massa trascurabile che è immersa in un fluido ed è soggetta ad una forza impressa da un motore elettrico; il piano d’appoggio è liscio. Analisi delle forze Forza elastica (di richiamo): Fe k x xˆ Forza d’attrito: Fa bv b dx x̂ dt Forza esterna oscillante: Fext F0 cos ( t ) xˆ Equazione del moto F Fe Fa dv m dt Fext dx k x xˆ b xˆ dt F0 cos ( t ) xˆ d 2x m 2 xˆ dt Equazione differenziale dell’oscillatore forzato: d 2x m 2 dt b dx dt kx F0 cos ( t) 0 (9) Soluzione stazionaria dell’equazione differenziale (9): F0 sin ( B x t 0 ) dove: B 0 m2 ( arccos ( 2 2 2 ) (b )2 b ) B Osservazioni La frequenza d’oscillazione quella propria del sistema . è quella della forza applicata e non Nonostante la forza d’attrito, l’ampiezza del moto è costante, cioè il moto non è smorzato. Se b = 0, quando , allora x . Se b 0 (oscillatore smorzato), l’ampiezza d’oscillazione è massima per valori di prossimi a ma diversi da . Questa condizione è chiamata risonanza d’ampiezza e la corrispondente è chiamata frequenza di risonanza. All’aumentare dello smorzamento, l’ampiezza di risonanza è sempre più piccola e cade a frequenze che si discostano sempre più da . Se la forza ha la “giusta” frequenza, anche una successione di piccoli impulsi può produrre oscillazioni di grande ampiezza. Tutti i sistemi meccanici (palazzi, ponti, aerei, ecc.) hanno proprie frequenze d’oscillazione; se sottoposti a perturbazioni risonanti, gli effetti possono essere disastrosi!