1 Esercizio Un corpo di masssa m = 1.5 Kg sale lungo un piano inclinato (θ = 30o ) scabro (µD = 0.25), partendo dalla base (punto A) con velocità v0 = 10 m/s e diretta parallelamente al piano inclinato. Si osserva che il corpo, dopo aver raggiunto un’altezza massima hmax (punto B), ridiscende indietro lungo il piano e ritorna in A. 1. Descrivere le forze che agiscono sul corpo, sia nel tratto A → B che nel tratto B → A; 2. Calcolare il lavoro compiuto sul corpo (a) dalla forza peso; (b) dalla forza di attrito; (c) dalla reazione vincolare del piano lungo il percorso chiuso A → B → A; 3. Calcolare la differenza tra l’energia cinetica iniziale (in A alla partenza) e quella finale (in A al ritorno) B v0 hmax A Fabrizio Dolcini (http://staff.polito.it/fabrizio.dolcini/) Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia, Politecnico di Torino - Esercitazioni di Fisica I 2 SOLUZIONE 1. Durante i due tratti del percorso agiscono: -forza peso -forza di attrito dinamico -reazione vincolare del piano 2. Calcoliamo ora il lavoro compiuto da ciascuna di tali forze nel percorso chiuso A → B→A (a) Lavoro della forza peso: Nel primo tratto A → B lo spostamento d~s è diretto da A (s = 0) a B (s = d) verso monte. La forza peso è diretta verso il basso e la sua componente nella direzione di d~s è diretta verso valle (opposta al moto) Z B d Z m~g · d~s = (−mg sin θ) ds = Z d ds = −mg sin = −mg sin θ | {zθ d} = A 0 0 =hmax = −mghmax < 0 (1) Nella secondo tratto B → A lo spostamento d~s è diretto da B (s = 0) a A (s = d) verso valle. La forza peso è diretta verso il basso e la sua componente nella direzione di d~s è ancora diretta verso valle (concorde al moto) Z A Z d m~g · d~s = (+mg sin θ) ds = Z d = mg sin θ ds = mg sin | {zθ d} = B 0 0 =hmax = = mghmax > 0 (2) Quindi il lavoro nel percorso chiuso A → B → A vale I Wpeso = Z B m~g · d~s = Z A m~g · d~s + A m~g · d~s = B = −mg sin θ d + mg sin θ d = 0 (3) (b) Lavoro della forza di attrito: Nel primo tratto A → B lo spostamento d~s è diretto da A (s = 0) a B (s = d) Fabrizio Dolcini (http://staff.polito.it/fabrizio.dolcini/) Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia, Politecnico di Torino - Esercitazioni di Fisica I 3 verso monte e la forza di attrito è diretta verso valle (opposta al moto) Z B d Z F~att · d~s = (−µD mg cos θ) ds = Z d ds = −µD mg cos θ · |{z} d = = −µD mg cos θ A 0 0 max = hsin θ hmax tan θ = −µD mg (4) Nella secondo tratto B → A lo spostamento d~s è diretto da B (s = 0) a A (s = d) verso valle e la forza di attrito è diretta verso monte (opposta al moto) Z A F~att · d~s = Z d (−µD mg cos θ) ds = Z d ds = −µD mg cos θ · |{z} d = = −µD mg cos θ B 0 0 = −µD mg max = hsin θ hmax tan θ (5) Quindi il lavoro nel percorso chiuso A → B → A vale I Watt = F~att · d~s = Z B F~att · d~s + Z A A B 2µD mghmax <0 F~att · d~s = − tan θ (6) (c) Lavoro della reazione vincolare del piano: ~ del piano è sempre diretta perpendicolarmente al piano, La reazione vincolare R e dunque è ortogonale alla direzione dello spostamento d~s. Quindi il lavoro nel percorso chiuso A → B → A vale I WR = ~ · d~s = R Z B A ~ · d~s + |R{z } =0 Z A B ~ · d~s = 0 R | {z } (7) =0 Osservazione: Si noti la differenza tra la forza peso (conservativa) e la forza di attrito (non conservativa). La forza peso è diretta sempre verso valle, e dunque il lavoro che compie è negativo da A → B (forza discorde al moto) e positivo da B → A (forza concorde al moto). Quindi nel percorso chiouso i due contributi si cancellano l’uno con l’altro (=il lavoro di una forza conservativa in un percorso chiuso è nullo). Al contrario, la forza di attrito si oppone sempre al moto, e dunque il lavoro che compie è negativo sia da A → B che da B → A, dando un lavoro totale non nullo sul percorso chiuso. Fabrizio Dolcini (http://staff.polito.it/fabrizio.dolcini/) Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia, Politecnico di Torino - Esercitazioni di Fisica I 4 3. Per trovare la variazione di energia cinetica applichiamo il teorema dell’energia cinetica al percorso chiuso A → B → A ∆K |{z} K(A0 )−K(A) = Wpeso + | {z } =0 Watt |{z} =− 2µD mghmax tan θ + WR |{z} (8) =0 dove A0 denota il punto A nell’istante in cui il corpo ci ritorna scendendo. Otteniamo dunque 2µD mghmax K(A0 ) − K(A) = − <0 (9) tan θ Per valutare esplicitamente la variazione dobbiamo calcolare hmax . A tale scopo applichiamo il teorema dell’energia cinetica al primo tratto A → B ∆K |{z} = K(B)−K(A) Wpeso + | {z } =−mghmax Watt |{z} =− µD mghmax tan θ + WR |{z} =0 ⇓ 1 2 µD 0 − mv0 = −mghmax 1 + 2 tan θ da cui hmax = v02 µD 2g 1 + tan θ (10) Sostituendo (10) in (9) otteniamo K(A0 ) − K(A) = − mµD v02 tan θ + µD (11) Sostituendo i valori 1.5 Kg · 0.25 · (10 ms )2 K(A ) − K(A) = − = tan π6 + 0.25 1.5 · 25 m2 = − Kg 2 = −45.3 J 0.577 + 0.25 | {zs } 0 (12) =J Osservazione: La variazione di energia cinetica è negativa: quando il corpo ritorna in A la sua energia cinetica è minore di quella con cui era partito da A, a causa del lavoro compiuto dalla forza di attrito durante il percorso chiuso, che ha sottratto energia meccanica al corpo. Fabrizio Dolcini (http://staff.polito.it/fabrizio.dolcini/) Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia, Politecnico di Torino - Esercitazioni di Fisica I