Fisica Facoltà di Ingegneria, Architettura e delle Scienze Motorie Lezione 22 aprile 2013 Architettura (corso magistrale a ciclo unico quinquennale) Prof. Lanzalone Gaetano Statica dei corpi rigidi Condizioni di immobilità di un corpo rigido Condizione necessaria ( ma non sufficiente) perché un corpo rigido sia fermo è che: • L’accelerazione del suo centro di massa sia nulla aCM = o • E che l’accelerazione angolare sia nulla rispetto a qualsiasi asse passante per il centro di massa. α = 0rad / s 2 Questo è equivalente a dire: ! est # R = Ma CM " M z = Iα # $ ⇒ est ! # R =0 " est # $ M =0 Le due condizioni non sono sufficienti perché, anche se soddisfatte, il corpo potrebbe: – Muoversi con velocità del centro di massa costante (moto rettilineo uniforme) – Ruotare con velocità angolare costante attorno ad un asse centrale di inerzia (L parallelo all’asse di rotazione) Occorre quindi che il corpo occupi la posizione iniziale con le seguenti condizioni iniziali – Velocità del centro di massa nulla (Vcm=0) – Velocità angolare nulla rispetto a qualunque asse passante per il centro di massa (ω=0) Sistemi di forze equivalenti • Se su un corpo rigido agiscono alcune forze, queste possono essere sostituite da altre purché le nuove forze abbiano – la stessa risultante (che produce la stessa accelerazione del centro di massa) – e lo stesso momento risultante rispetto ad un qualunque polo O (che produce la stessa variazione del momento angolare) • Un qualsiasi insieme di forze (rosso) è equivalente alla somma di una singola forza (blu) di intensità pari alla risultante delle forze di partenza applicata nel polo O + una coppia di forze (verde) di momento pari al momento risultante delle forze di partenza. • Fanno eccezione le forze parallele – In questo caso si può fare a meno della coppia – Si può sempre trovare un punto in cui applicare la risultante delle forze o o est Ma CM = R Iα = M z Punto di applicazione della forza peso Vogliamo far vedere che, dato un corpo rigido discreto [Ciascun punto è soggetto alla forza peso (mig)] l’insieme delle forze peso è equivalente ad un’unica forza – Di intensità pari a Mg (M = Σ mi) – Applicata al centro di massa m2 m1 Q1 R est = 0 • Considero le due masse m1 ed m2 collegate da un’asta rigida priva di massa. • Se l’affermazione precedente è vera, allora – Posso equilibrare le due forze con un’unica forza F – Applicata in un punto particolare dell’asta rigida Cerchiamo questa forza F e il suo punto di applicazione. Annulliamo i momenti rispetto ad O Q1 Q2 − Q1 x1 − Q2 x2 F ⇓ Q1 + Q2 + F = 0 ⇓ F = − Q1 + Q2 ( ) F= m1g+m2g=(m1+m2)g + FxF m gx + m2 gx2 m1 x1 + m2 x2 − Q1 x1 − Q2 x2 + FxF = 0 ⇒ xF = 1 1 = (m1 + m2 )g m1 + m2 Q2 F m2 m1 O x1 Q1 NB: il punto di applicazione coincide con il CM, è interno al segmento che congiunge i due punti x2 xF F x Q2 Equilibrio di un corpo rigido nel campo della forza peso Corpo rigido appoggiato su di un piano orizzontale liscio. – Il corpo è in equilibrio se la verticale passante per il centro di massa interseca il piano orizzontale in un punto interno al poligono di appoggio. Punto di applicazione della normale N (N=la forza equivalente all’insieme di forze parallele esercitate sui vari punti di appoggio) deve essere un punto interno del poligono di appoggio • Se la forza verticale P passante per il centro di massa (il punto di applicazione della forza peso) e la Normale N formano una coppia di braccio nullo – Sono verificate le condizioni di equilibrio statico • Altrimenti il momento di questa coppia sarà sempre diverso da zero – Non ci sarà equilibrio N CM P r N CM P Teorema del centro di massa P + N = O ⇒ N = −P La figura mostra un modello di gru a torre. Le parti orizzontali che si estendono da entrambi i lati della torre sono chiamati bracci. La torre è larga 12m. Il braccio anteriore è lungo 80 m e ha massa mba= 80 t (1t= 1000 kg). Il braccio per i contrappesi è lungo 44 m e ha massa mbct=31 t, il contrappeso fisso alla sua estremità ha massa mcpf = 100 t, il contrappeso mobile esterno ha massa mcpe = 40 t, il contrappeso mobile interno ha massa mcpi= 83 t e la torre ha massa mt = 100 t. Un carico di massa mc= 100 t viene sospeso al centro del braccio anteriore. La gru è bilanciata oppure no? Nel caso in cui non fosse bilanciata, il carico dovrebbe essere spostato verso la torre o in verso opposto per ottenere l'equilibrio? R. xcm=-0.16m Equilibrio di un corpo rigido con un asse fisso di rotazione nel campo della forza peso In generale i concetti già determinati per il punto materiale valgono anche per il corpo rigido Vediamo il caso di un corpo rigido in rotazione attorno ad un asse orizzontale passante per O: b) a) Equilibrio stabile a) Se il CM si trova al di sotto dell’asse di rotazione CM b) Equilibrio instabile a) Se il CM si trova al di sopra dell’asse di rotazione a) O O O c) Equilibrio indifferente a) Se l’asse di rotazione passa proprio per il centro di massa N.B. ricordate le analogie con l’energia potenziale CM c) CM Esercizio: Nella figura vediamo una scala dei pompieri di lunghezza L=12 m e massa m=45 kg appoggiata con l’estremità superiore ad un muro privo di attrito, ad una altezza h=9.3 m dal suolo. Il suo centro di massa si trova a un terzo della sua lunghezza. Un vigile del fuoco con massa M=72 kg si arrampica per la scala fino a che il suo centro di massa si trova a metà della scala. Quali forze esercitano, in modulo il muro ed il terreno? In problemi di questo tipo tutte le forze sono contenute nel piano del disegno Il problema diventa un problema piano con solo tre gradi di libertà: – Moto lungo l’asse x – Moto lungo l’asse y – Rotazione attorno all’asse z Le condizioni di equilibrio si trovano imponendo che: – La componente x della risultante delle forze sia nulla – La componente y della risultante delle forze sia nulla – Il momento assiale Mz sia nullo Si osservi che scegliendo un polo sul piano che contiene le forze, i rispettivi momenti hanno solo la componente z. ⎧ ⎪ Rx = 0 Fm − Ftx = 0 ⎪ ⎨ R y = 0 − Mg − mg + Fty = 0 ⎪ a a ⎪M z = 0 − Fm h + Mg + mg = 0 2 3 ⎩ a = L2 − h 2 = 122 − 9.32 = 7.58m NB: per il calcolo di Mz si può scegliere un punto qualsiasi del piano. – Scegliendo il punto O ci siamo evitato di calcolare due momenti quello di Ftx e quello di Fty a a 7.58 7.58 Mg + mg 72 × 9.81× + 45 × 9.81 × 2 3= 2 3 = 407.8N Fm = h 9.3 Ftx = Fm = 407.8N Fty = Mg + mg = 1147.8N • NB: non si avrebbe equilibrio senza attrito sul pavimento Equilibrio delle forze nelle Macchine Sono dette macchine quei dispositivi che servono a vincere, con una data forza, una forza resistente diversa da essa (per intensità e direzione) Ad ogni macchina sono applicate in generale dueforze: - Forza Resistente (da vincere) indicata con R - Forza Motrice (che serve a vincere la forza resistente) indicata con F Lo studio della macchina richiederà la ricerca della relazione che passa tra la forza motrice e quella resistente, quando la macchina è in equilibrio. In base al modulo di F e R possiamo classificare le macchine come : • F=R macchina Indifferente • F>R macchina Svantaggiosa • F<R macchina Vantaggiosa La LEVA E’ costituita da un corpo rigido girevole attorno ad un punto o asse fisso (FULCRO) La leva è in equilibrio solo se il Momento Risultante è nullo. MF + MR = O ⇒ MF = MR F b aF = bR ⇒ = R a Leva di primo, secondo o terzo genere a secondo della posizione relativa di fulcro (O), Potenza (F) e Resistenza (R). I genere II genere III genere I genere indifferente vantaggiosa svantaggiosa II genere Paranco Carrucola mobile SEMPRE VANTAGGIOSE FM=FR/2 FM=FR/2n III genere SEMPRE SVANTAGGIOSE Fortogonale Quando ci si piega , occorre una grandissima forza muscolare F per equilibrare il momento della forza peso P (uomo + oggetto da sollevare) che funge da forza resistente ! Problema per casa. La figura mostra una struttura semovente che consiste di 4 oggetti appesi a 3 sbarre di massa trascurabile. Determinare i valori delle masse 1,2 e 3 incognite tali che la scultura sia in equilibrio. R. 0.15kg,0,71kg,0.36kg. Esercizi suggeriti : da 1 a 14 pag 278-279 vol. Fondamenti di Fisica sbn88-408-1331-4 Halliday Statica dei Fluidi I fluidi • • Per fluidi si intendono i gas ed i liquidi le distanze tra le molecole sono in media più grandi nel caso dei fluidi rispetto ai solidi, – le forze di interazione sono meno intense: nei fluidi le molecole sono debolmente legate l’una all’altra – esse non occupano posizioni predeterminate all’interno del fluido – ma possono muoversi al suo interno. • I fluidi non oppongono alcuna resistenza a sollecitazioni di taglio – Se suddividiamo in due parti il fluido con una superficie ideale è possibile far scorrere le due parti di fluido l’una rispetto all’altra. – Si immagini la lama di un coltello che scorre all’interno di un fluido. • Conseguenza: – Se separiamo il fluido in due parti mediante una superficie qualsiasi, le forze, che una parte di fluido esercita sull’altra, hanno solo la componete normale alla superficie. – Questo vale per qualunque superficie. La pressione idrostatica Sulla superficie immaginaria con cui abbiamo suddiviso il fluido in due parti prendiamo una piccola area, ΔA, attorno al punto Q Si definisce pressione idrostatica nel punto Q la grandezza scalare ottenuta facendo il rapporto tra la forza (normale) che una delle due parti di fluido esercita sull’altra attraverso l’area ΔA, e l’area ΔA (eventualmente si fa il limite per ΔA che tende a zero) : ΔA Q Fn ΔA −1 [ P ] = [ Fn ] [ ΔA ] = #$ MLT −2 L−2 %& P= • Le dimensioni • Le unità di misura nel SI sono N/m2, che viene anche chiamata “pascal”, Pa. • Altre unità di misura della pressione: – Atmosfera (atm)=1 atmosfera è la pressione atmosferica al livello del mare – torr (o mm Hg) è la pressione che esercita una colonna di 1 mm di mercurio – 1 bar= 105 Pa 1atm = 1.013×10 5 Pa = 760torr La pressione sulle pareti del recipiente Se la superficie ideale tracciata all’interno di un fluido viene sostituita da una superficie reale (p.e. la parete del contenitore) Possiamo usare la stessa definizione per valutare al pressione sulle pareti del contenitore Fn y P= • • • ΔA ΔA è una piccola area attorno al punto Q in cui si vuole misurare la pressione Fn è la forza normale esercitata dal fluido sulla piccola porzione ΔA della parete A cosa è dovuta questa forza normale? – Agli urti delle particelle che costituiscono il fluido sulle pareti – Per un urto elastico su una parete liscia 1 1 m v2x + v 2y = m v' 2x +v2y 2 2 ( ) ( ) 2 2 v x = v' x ⇒ v' x = ±v x ⇓ v' x = −vx v' F v x La molecola subisce l’azione della forza F dovuta alla parete Per il principio di azione e reazione esercita sulla parete una forza uguale e contraria. La densità • Si definisce densità media del fluido ρm = • M V Si definisce densità del fluido nel punto Q ΔM ρ = lim ΔV→0 ΔV – Il limite in senso “fisico” • I fluidi si distinguono in – Comprimibili – Incomprimibili PQ dM ρ= dV La legge di Stevino Consideriamo un fluido incomprimibile (= ρ è uniforme in tutto il volume del fluido) • • • Sia il fluido stazionario Isoliamo idealmente una porzione di fluido racchiusa in un cilindro di area di base A orizzontale e altezza h (h=y1-y2) Se tutto il fluido è stazionario, questa porzione è ferma Applichiamo la seconda legge della dinamica – In particolare la sua componente verticale F2 − F1 − mg = 0 P2 A − P1A − ρA(y1 − y2 )g = 0 ⇓ P2 = P1 + ρ(y1 − y2 )g = P1 + ρgh • h profondità CONCLUDIAMO: Punti alla stessa profondità hanno la stessa pressione Punti alla stessa pressione si trovano alla stessa profondità • La superficie di separazione tra l’aria e l’acqua è orizzontale P0=pressione atmosferica Esercizio: A che profondità bisogna immergersi in mare perché la pressione raddoppi rispetto a quella in superficie Dalla legge di Stevino ricaviamo che la pressione alla profondità h in un liquido conoscendo quella in superficie Po, è data da: P = Po +ρgh Vogliamo trovare h* in modo che P sia uguale a 2Po. 2Po = Po + ρgh Da cui: * h = * * ⇒ h = Po ρg Po 1atm = = 3 kg m ρg 1.024 × 10 3 9.81 2 m s 5 1.01 × 10 Pa = = 10.05m 3 kg m 1.024 × 10 3 9.81 2 m s Ogni 10 m di profondità la pressione aumenta di circa un’ atmosfera Se al posto dell’acqua vi è un gas ( la densità del gas è circa 1000 volte più piccola di quella dell’acqua) • Alla profondità di 10 m in un gas la pressione sarebbe cambiata solo di 1 millesimo di atmosfera • Per recipienti di piccolo volume, entro i 10 m di profondità, possiamo considerare la pressione costante in tutto il recipiente. P = Po + ρgh se ρh → 0 ⇒ P = Po = costante h La misura della pressione • Barometro – Per la misura assoluta della pressione atmosferica 0 = Pat + ρg (− h) Pat = ρgh • Manometro a tubo aperto – Misura la differenza di pressione tra due ambienti – Misura relativa di pressione P = Po +ρgh La pressione nei liquidi Applicando una forza sul pistone, esso a sua volta esercita una forza sul liquido. L’aumento di pressione genera una forza perpendicolare alle pareti del recipiente. La velocità degli zampilli aumenta all’aumentare della forza applicata. Un palloncino pieno d’aria immerso nel liquido si rimpicciolisce mantenendo la stessa forma poiché la pressione ha in ogni punto la stessa intensità ed è in ogni punto perpendicolare alla superficie. Il principio di Pascal La pressione esercitata su una superficie qualunque di un liquido si trasmette con la stessa intensità su ogni altra superficie a contatto con il liquido, indipendentemente da come questa è orientata. Consideriamo un fluido contenuto in un cilindro racchiuso da un pistone mobile Indichiamo con Pest la pressione esercitata dal pistone sul fluido La pressione in tutti gli altri punti sarà: P = Pest + ρgh Supponiamo ora di variare la pressione Pest , per esempio variando il carico sul pistone. Sia ΔPest la variazione di Pest. In tutti gli altri punti del fluido osserveremo una variazione di pressione: ΔP = ΔPest + Δ (ρgh ) ⇒ se il liquid o è in comressibile Δ(ρgh)=0 ΔP = ΔPest Una variazione di pressione in un punto del fluido si ripercuote su tutto il fluido. Paradosso Idrostatico La pressione dipende solo dalla profondità dell’acqua , non dalla forma del recipiente, quindi alla stessa profondità la pressione è la stessa in tutti i vasi comunicanti del recipiente. La leva idraulica Consideriamo due cilindri pieni di un fluido incomprimibile (p.e. olio) In condizioni di riposo entrambi i pistoni sono alla stessa altezza e la pressione del fluido appena sotto i pistoni è la pressione atmosferica Se spingiamo il pistone Ai con una forza Fi, facciamo cioè aumentare la pressione del fluido in uno dei rami del pistone, allora la pressione aumenterà dappertutto della stessa quantità ΔP = Fi Ai Il secondo pistone sarà quindi in grado di esercitare sull’ambiente esterno una forza: Fo = ΔPAo = Fi F0 > Fi per Ao Ai A0 > Ai La forza risulta amplificata per un fattore pari al rapporto tra le aree e che lo spostamento del secondo pistone è ridotto rispetto a quello del primo dello stesso fattore. Il lavoro da fare per sollevare un oggetto pesante è sempre lo stesso Il pistone grande di un torchio idraulico ha raggio 20cm. Quale forza deve essere applicata al pistone piccolo, avente raggio di 2.0cm, per sollevare un’automobile con massa di 1500Kg ? R. 150 N Applicazioni principio di Pascal in medicina: pressione sull’addome si trasmette alla gola permettendo fuoriuscita di corpi estranei dalla trachea manovra di Heimlich F dentifricio esce dal tappo schiacciando fondo del tubetto F Il principio di Archimede La Spinta di Archimede è la forza a cui è soggetto un corpo quando è immerso in un fluido • Consideriamo, in un fluido stazionario, la porzione di fluido racchiusa in una superficie chiusa che riproduce perfettamente la superficie esterna di un corpo. Questa porzione di fluido è in equilibrio (fluido stazionario) • La risultante delle forze che la porzione di fluido all’esterno del contorno esercita su quella all’interno del contorno è proprio uguale al peso del fluido racchiuso all’interno del contorno. (Ricorda: il fluido è in equilibrio !!!) Quando immergeremo il corpo, la parte di fluido esterna al contorno del corpo è la stessa , continuerà ad esercitare sempre la stessa forza. La spinta di Archimede che agisce su di un corpo immerso in un fluido è una forza diretta verso l’alto il cui modulo è pari a quello della forza peso della • • Il principio di Archimede Un corpo, immerso in un fluido in equilibrio, subisce una spinta verso l’alto pari al peso del volume del fluido spostato: S=plV(la spinta è applicata al baricentro del fluido spostato) S S P S P P pL e pc : pesi specifici del liquido e del corpo S<P ↔ pL < pc affonda S=P ↔ pL = pc S>P ↔ pL > pc in equilibrio galleggia La corona d’oro di Archimede Gerone II, tiranno di Siracusa, fece costruire da un valente orafo una corona d'oro, a forma di rami intrecciati, del tipo di quella riprodotta a lato, per porla a decoro di una statua rappresentante un Dio. Tuttavia quando ricevette la bellissima corona ebbe il sospetto che l'orafo potesse aver sostituito, all'interno della corona, l'oro con l'argento. Per questo il Tiranno chiese ad Archimede di determinare se la corona fosse d'oro massiccio oppure se contenesse all'interno il meno pregiato argento. Ma poiché la corona, di pregevole fattura, doveva ornare il capo di una divinità, era essa stessa un oggetto sacro. Quindi il Tiranno pose ad Archimede la condizione che la corona doveva restare integra (oggi diremmo che Archimede doveva sottoporre la corona a un esame non distruttivo). Archimede trovò la soluzione. Bastava porre in una vasca una quantità d'oro puro di peso pari a quello della corona e poi riempire la vasca d’acqua fino all'orlo. Quindi bisognava togliere l'oro e immergervi la corona: se vi fosse stato argento, che a parità di peso occupa un volume maggiore di quello dell'oro, l'acqua sarebbe traboccata. Come riferisce l'architetto romano Vitruvio nel primo secolo avanti Cristo, Archimede riuscì in questo modo a scoprire la frode che l'orafo commise nei confronti di Gerone II. Applicazioni principio di Archimede iceberg galleggia: ρ ghiaccio = ρ 0 = 900 kg / m 3 ρ acqua − mare = ρ f = 1025 kg / m 3 ρ0 V = ≈ 9 / 10 ρ f V0 sommergibile [camere stagne funzionano tipo vescica natatoria] solo 1/10 emerge dall’acqua !!! vescica natatoria vescica natatoria organo a forma di sacco riempiendosi/svuotandosi d'aria consente al pesce di salire/scendere mongolfiera a minore o maggiore profondità [aria calda meno densa di aria fredda genera forza verso l’alto] Equazione di Continuità tubo di sezione variabile nell’ intervallo di tempo Δt Δx1 = v1Δt ⇒ Δm1 = ρ1 A1Δx1 = ρ1 A1v1Δt Δx2 = v2 Δt ⇒ Δm2 = ρ 2 A2 Δx2 = ρ 2 A2v2 Δt la massa si conserva [fluido stazionario] Δx1 Δx2 Δm1 = Δm2 ρ1 A1v1Δt = ρ 2 A2v2 Δt ρ è costante [fluido stazionario, incompressibile] A1v1 = A2v2 = costante N.B. equazione di continuità A v = [Volume]/[tempo]=portata quantità di fluido che entra da una estremità del tubo è uguale alla quantità di fluido che esce nello stesso intervallo di tempo [in assenza di perdite] Teorema di Bernoulli pressione varia in un fluido in movimento in un tubo di sezione variabile lavoro forze di pressione L p = F1Δx1 − F2 Δx2 spinge il fluido si oppone al moto del fluido = p1 A1Δx1 − p2 A2 Δx2 = ( p1 − p2 )ΔV ΔV = A1Δx1 = A2 Δx2 = la massa si conserva ρ è costante lavoro forza peso L = L p + Lg = ΔK Δm ρ Lg = −Δmg ( y2 − y1 ) = − ρΔVg ( y2 − y1 ) teorema dell’energia: lavoro netto è pari a variazione energia cinetica 1 1 ( p1 − p2 )ΔV − ρΔVg ( y2 − y1 ) = Δmv22 − Δmv12 2 2 1 2 p + ρv + ρgy = costante 2 1 1 p1 + ρv12 + ρgy1 = p2 + ρv22 + ρgy2 2 2 conservazione energia meccanica per un fluido ideale • La pressione che si esercita sulle pareti è determinata esclusivamente dall’ altezza complessiva della colonna d’acqua e non dal peso dell’acqua o sezione del tubo. • Alla loro superficie di separazione due liquidi immiscibili raggiungono, in vasi fra loro comunicanti , altezze che sono in rapporto inverso alle rispettive densità. Teorema di Torricelli Un liquido perfetto pesante (solo forza peso) fuoriesce, da un recipiente aperto, con velocità pari in modulo a quella che avrebbe un grave in caduta libera. Sia s<<S La soluzione è di ben un secolo prima di Bernoulli !!! Se applichiamo Bernoulli in una linea di flusso AB si avrà : Fenomeni naturali Velocità differenti in prossimità dei due buchi p1 ! v12 $ p2 ! v22 $ + # z1 + & = + # z2 + & ρg " 2g % ρ g " 2g % χ1 p1 p2 + χ1 = + χ2 ρg ρg se χ1 < χ 2 ⇒ P1 > P2 χ2 CAMINO Applicazioni teorema di Bernoulli porte che sbattono per fluido che scorre a quota fissa ala aeroplano 1 1 p1 − p2 = ρv22 − ρv12 2 2 velocità corrente maggiore sopra ala ⇒ pressione minore sopra ala pressione maggiore sotto ala si genera forza (spinta) verso l’alto p minore per v maggiore v1 > v2 quindi p2 > p1 ⇒ la porta sbatte flusso da un rubinetto flusso d’acqua si restringe mentre cade 1 1 p1 + ρv12 + ρgy1 = p2 + ρv22 + ρgy2 2 2 per p1 = p 2= pressione atmosferica 1 2 1 gh = (v12 − v22 ) > 0 2 A2, p2,v2,y2 A1, p1,v1,y1 ρg ( y2 − y1 ) = ρ (v12 − v22 ) ⇒ v1>v2 e A2>A1 [da eq. continuità (A2v2=A1v1)]