Lezione mecc n.17 pag Argomenti di questa lezione: • Dinamica rotazionale di una particella singola • Dinamica rotazionale rispetto a poli mobili (dettaglio utile per fare alcuni esercizi, p.es. sul rotolamento) • Dinamica rotazionale per sistemi di particelle • Seconda equazione cardinale • Specializzazione al caso di corpi rigidi • Corpi rigidi vincolati a ruotare intorno ad un asse fissato 1 Lezione mecc n.17 pag Dinamica del corpo rigido. Abbiamo definito il momento d’inerzia I di un CR poiché era una quantità che compariva nell’espressione dell’energia cinetica. Poi, abbiamo notato un’analogia fra le espressioni (1/2) Mv2 (1/2) Iω2 (energia di una particella di massa M a velocità v) (energia di un C.R. di mom.d’in. I e vel. ang. ω) Troveremo ulteriori analogie andando a studiare la dinamica rotazionale dei sistemi e specializzandola al CR. Lista delle cose da fare Breve richiamo al prodotto vettoriale Dinamica rotazionale di un punto materiale di sistemi di punti materiali (estensione) di corpi rigidi (particolarizzazione) Definizione di una nuova quantità: momento angolare Elementi di statica del CR 2a equazione cardinale e conservazione del mom. angolare Un’altra particolarità delle forze centrali, ⇒ cenni al moto sotto forze centrali e, in particolare, sotto la forza gravitazionale di un singolo centro attrattore (es. Terra intorno al Sole) 2 Lezione mecc n.17 pag 3 Prodotto vettoriale (richiamo) Dati due vettori A e B si definisce prodotto vettoriale fra A ∧B, che ha le seguenti caratteristiche: e B la quantità A∧ 1) è un vettore 2) è perpendicolare sia ad A che a B 3) ha modulo ABsenθ, dove A e B sono i moduli di A e B e θ è un angolo misurato sul piano contenente A e B a partire da A e andando verso B per la via più breve Da questa definizione segue che, per i versori degli assi di un sistema cartesiano ortonormale sinistrorso, valgono le seguenti relazioni xˆ ∧ xˆ = 0 yˆ ∧ xˆ = − zˆ zˆ ∧ xˆ = yˆ xˆ ∧ yˆ = zˆ yˆ ∧ yˆ = 0 zˆ ∧ yˆ = − xˆ xˆ ∧ zˆ = − yˆ yˆ ∧ zˆ = xˆ zˆ ∧ zˆ = 0 Abbiamo anche mostrato che, grazie a queste uguaglianze, si ha che il prodotto vettoriale fra due vettori assegnati per componenti può essere calcolato simbolicamente come un determinante: xˆ r r A ∧ B = det Ax B x yˆ Ay By zˆ Az Bz Lezione mecc n.17 pag 4 Dinamica rotazionale di una particella Supponiamo che una particella di massa M e velocità v (quindi p=mv) si muova su una traiettoria rettilinea distante sul piano, una quantità b da un punto di riferimento O. M v b r O ∧p dove r è la Consideriamo la quantità vettoriale L=r∧ posizione di M rispetto a O. (Notiamo che L=bp) Definizione: Chiamiamo L momento angolare della particella. Ci chiediamo se L cambia e cosa serve per modificare L. dL/dt=d(r∧ ∧p)/dt=dr/dt∧ ∧p+r∧ ∧dp/dt notiamo due fatti: 1) poiché p e v sono paralleli (e v=dr/dt) il primo prodotto vettoriale è nullo 2) dalla prima eq. cardinale, il secondo prodotto eguaglia r∧ ∧F, dove F è la forza applicata alla massa M. Se definiamo τ= r∧ ∧F allora Relazione che somiglia molto a dP/dt=F dL/dt=ττ Lezione mecc n.17 pag A volte è necessario studiare la dinamica rispetto a un polo mobile. Come cambia la situazione? Supponiamo di misurare la posizione (r) rispetto a un’origine O (fissa), e i momenti rispetto a un punto diverso P, che ha posizione s rispetto a O (ed eventualmente s=s(t)). v=dr/dt b=r−s r O s Per misurare posizioni e velocità P Per misurare momenti (questo punto potrebbe muoversi) Ora consideriamo L=bΛp dove b è la posizione di M rispetto a P: momento angolare rispetto a P, che è un punto generico, che potrebbe anche muoversi. 5 Lezione mecc n.17 pag Ci chiediamo se L cambia e, soprattutto, cosa serve per modificare L. dL/dt=d(bΛp)/dt=db/dtΛp+bΛdp/dt ora db/dt=d(r−s)/dt= dr/dt−ds/dt la prima di queste due derivate ha pr.vett. nullo con p, ma la seconda no: dL/dt=−ds/dtΛp+bΛdp/dt = −ds/dtΛp+bΛF = −VPΛp+bΛF il risultato semplice resta valido solo se P si muove parallelamente al centro di massa. 6 Lezione mecc n.17 pag 7 Per ora, limitiamoci per semplicità ai casi in cui vale dL/dt=bΛF Estendiamo questa relazione al caso in cui il moto in esame non riguardi una singola particella ma un intero sistema di particelle (sistema generico: non necessariamente, per adesso, un corpo rigido). Lezione mecc n.17 pag 8 Dinamica rotazionale di un sistema di particelle. Sommiamo i momenti angolari di tutte le particelle, avendo cura di calcolarli TUTTI rispetto ad un unico punto di riferimento (polo) O. Ltot=ΣiLi=ΣiriΛpi Di nuovo, derivando rispetto al tempo, otteniamo dLtot/dt=ΣidLi/dt=Σid(riΛpi)/dt=Σi τi=ΣiΣj τj−> −>i −> Se le forze interne fra ogni coppia di particelle agiscono lungo la retta congiungente le due particelle della coppia (cosa che normalmente avviene), nelle somme dei momenti torcenti si annullano tutti i momenti dovute a forze interne Fji Fij i ri r⊥ j rj |riΛFij|=|rjΛFji|= Fr⊥ In conclusione, dLtot/dt=ΣidLi/dt=Σid(riΛpi)/dt=Σiτi-esterni Lezione mecc n.17 pag Seconda equazione cardinale della dinamica: Στ dLtot/dt = i i- esterni (NB: Ltot e tutti i τi vanno calcolati rispetto a un unico polo). Inoltre tale polo o è fermo o deve almeno muoversi parallelamente al cdm, altrimenti nasce un termine aggiuntivo −VPΛPtot, con VP=velocità del polo. da qui si ricava anche un principio di conservazione: Se Σiτi-esterni=0, allora L si conserva Confrontiamo gli aspetti della prima e della seconda equazione cardinale e dei principi di conservazione che da esse scaturiscono Se ΣiFi-esterne=0, allora P si conserva Notare che si tratta equazioni vettoriali: forniscono 3+3 informazioni, sulla variazione di 3 componenti della quantità di moto totale e su quella delle 3 componenti del momento angolare totale del sistema. 9 Lezione mecc n.17 pag 10 Corpo rigido vincolato a ruotare intorno ad un asse fissato R v r r τz=rxFy−ryFx rx e ry sono proiezioni della posizione R di un punto generico sul piano perpendicolare all’asse di rotazione (z). anche le velocità (e le p) sono su tale piano. Lzi=rximivyi−ryimivxi Le velocità vi sono tangenziali e perciò perpendicolari alle posizioni ri=(rxi, ryi) proiettate sul piano xy (che sono proprio distanze dall’asse). Lezione mecc n.17 pag 11 Si tratta di moti circolari: Lzi=rimivi=rimi(ωri)=miri2ω, poiché r┴v sul piano xy Lz-tot=ΣiLzi=Σimiri2ω=Izω Il fatto che il corpo sia rigido garantisce che sia I=costante: dLz-tot/dt=d(Izω)/dt=Izdω/dt=Izα questa relazione per certi versi ricorda F=ma. τz=dLz-tot/dt=d(Izω)/dt=Izdω/dt=Izα è la forma a cui si riduce la 2a eq. cardinale quando ci si restringe a CR vincolati a ruotare intorno ad un asse fissato.