5 DINAMICA E STATICA RELATIVA Equazioni di Lagrange in forma non conservativa La trattazione della dinamica fin qui svolta è valida per un osservatore inerziale. Consideriamo, ora un osservatore non inerziale. Per un osservatore inerziale vale la legge di Newton ma = F . (1) Utilizziamo il risultato del Teorema di Coriolis che lega gli osservatori inerziali e quelli non inerziali (2) aass. = aS + arel + aC e sostituiamolo nella legge di Newton (3) m (aS + arel + aC ) = F . Quest’ultima può essere riscritta nella forma marel = F − m (aS + aC ) = F + FS + FC , dove abbiamo definito ⎧ ⎨ FS = −maS ⎩ (4) (Forza di trascinamento) . FC = −maC (5) (Forza di Coriolis) FS e FC sono dette forze apparenti in quanto, a differenza di F non traducono l’azione di altri corpi sul punto P , ma sono dovute al moto dell’osservatore non inerziale rispetto a quello inerziale. Sono apparenti poichè appaiono solo all’osservatore non inerziale. La forza F , in questo contesto, viene anche denominata Fef f. e indica la risultante delle forze effettive sul punto P preso in esame. Generalizziamo ora, sia le equazioni cardinali, sia il teorema dell’energia cinetica ⎧ ⎪ dQrel. /dt = Ref f. + RS + RC ⎨ ef f. rel. S C dΓ(0) /dt + v0 ∧ Qrel. = M(0) + M(0) + M(0) . (6) ⎪ est.,int. ⎩ dTrel. /dt = Πef f. + ΠS + ΠC Proposizione 1 La potenza legata alla forza di Coriolis è nulla. Dimostrazione. Dalla formula dell’accelerazione di Coriolis relativa al punto P , si ottiene aC = 2ω ∧ vP,rel =⇒ aC ⊥ vP,rel =⇒ ΠC = FC × vP,rel = 0. =⇒ FC = −maC ⊥ vP,rel (7) Ci si può chiedere se, nel riferimento relativo (non inerziale) in presenza di forze effettive conservative, vale la conservazione dell’energia. La risposta è legata alle forze di trscinamento che non sempre si comportano come conservative. 6 Teorema 1 Il risultante delle forze di trascinamento e il risultante delle forze di Coriolis agenti su un sistema materiale si possono calcolare supponendo tutta la massa concentrata nel baricentro, ovvero RS = FS (G) = −maS (G) , (8) RC = FC (G) = −maC (G) . (9) e Dimostrazione. Dimostriamo la (8). Scriviamo l’accelerazione di trascinamento per il generico punto i-esimo del sistema h ³−−−−→´i → ³−−−−→´ − (10) aS,i = a (O) + ω̇ ∧ Pi − O + ω ∧ ω ∧ Pi − O , dove abbiamo indicato con O, l’origine della terna mobile e con ω il vettore velocità angolare della terna mobile rispetto alla terna inerziale. Sostituendo la definizione di centro di massa N ³−−−−→´ ³−−−−→´ X mi Pi − O (11) m G−O = i=1 in (10), si ottiene RS = − N X i=1 mi aS,i = − N X i=1 n h ³−−−−→´io → ³−−−−→´ − mi a (O) + ω̇ ∧ Pi − O + ω ∧ ω ∧ Pi − O " # N N ³−−−−→´ X − X ³−−−−→´ → mi Pi − O − ω ∧ ω ∧ mi Pi − O = −ma (O) − ω̇ ∧ i=1 i=1 ³−−−−→´ h ³−−−−→´i → − = −ma (O)− ω̇ ∧m G − O −ω∧ ω ∧ m G − O = −ma (G) = FS (G) . (12) Dimostriamo la (9). Dall’espressione dell’accelerazione di Coriolis aC,i = 2ω ∧ vi,rel , (13) scritta per il generico punto i-esimo, ricaviamo RC = − N X i=1 mi aC,i = − N X i=1 mi [2ω ∧ vi,rel ] = −2ω ∧ N X i=1 mi vi,rel = −2mω ∧ vrel (G) . (14) Osservazione 1 Abbiamo trovato il risultante delle forze di trascinamento e di Coriolis nel caso non inerziale. In generale, questi due sistemi di forze NON sono equipollenti al risultante delle forze applicato al baricentro. Caso 1 (Osservatore relativo traslante) Consideriamo il moto di un sistema materiale rispetto ad un osservatore che si muove di moto traslatorio rispetto ad 7 un osservatore inerziale. In generale, il moto è non rettilineo e uniforme. Allora, dalla formula (10) → − ω = 0, ω̇ = 0 =⇒ aS,i = a (O) . (15) Le forze di trascinamento relative all’equazione 8 diventano FS,i = mi aS,i =⇒ RS = − N X mi a (O) . (16) i=1 In questo caso, le forze di trascinamento costituiscono un sistema di forze parallele, di intensità proporzionale alla massa di ciascun punto e quindi al suo peso. Il centro di talesistema di forze parallele è il baricentro stesso. Il sistema è quindi equipollente al risultante applicato nel baricentro. Caso 2 (Osservatore relativo ruotante uniformemente) Per iniziare, consideriamo il caso di un sistema formato da un punto materiale di massa m. Sia z l’asse di rotazione fisso nello spazio e sia ω = costante, il vettore velocità angolare dell’osservatore relativo (non inerziale) rispetto all’osservatore fisso (inerziale). In questo caso la forza di trascinamento si chiama forza centrifuga. Sia O un punto appartenente all’asse di rotazione. Poichè l’origine è fissa, a (O) = 0 e, poichè la → − velocità angolare è costante ω̇ = 0. Segue che n h ³−−−−→´io FS = −m ω ∧ ω ∧ P − O . (17) Prendiamo il punto P ∗ , proiezione ortogonale di P sull’asse z e scriviamo −−→ −−−−→ −−−−→∗ −− P − O = P − P + P ∗ − O. (18) Calcoliamo h ³−−−−→´i n h³−−−−→´ ³−−−−→´io ω ∧ ω ∧ P − O = ω ∧ ω ∧ P − P∗ + P∗ − O n h³−−−−→´io n h³−−−−→´io + ω ∧ ω ∧ P∗ − O . = ω ∧ ω ∧ P − P∗ (19) h ³−−−−→´i ³−−−−→´ ω ∧ ω ∧ P − P ∗ = −ω 2 P − P ∗ . (22) n h³−−−−→´io ω ∧ ω ∧ P∗ − O = 0, (23) Il primo termine diventa h ³−−−−→´i h ³−−−−→´i ³−−−−→´ ω ∧ ω ∧ P − P∗ = ω × P − P ∗ ω − [ω × ω] P − P ∗ . doppio prodotto vettore (20) Ma ³−−−−→´ ³−−−−→´ ω ⊥ P − P∗ =⇒ ω × P − P ∗ = 0. (21) Quindi Il secondo termine vale 8 ³−−−−→´ poichè P ∗ ∈ asse z, il che implica ω k P ∗ − O . Quindi ³ ´ 2 −−−−→ ∗ FS = mω P − P . Dato un sistema di punti, il risultante delle forze centrifughe diventa ³−−−−→´ RS = mω 2 G − G∗ . (24) (25) Proposizione 2 Le forze centrifughe sono conservative Dimostrazione. Per semplicità, consideriamo ancora il caso del punto materiale di massa m. Calcoliamo il lavoro virtuale per uno spostamento virtuale δ P del punto P (ρ, θ, z), dove ρ = |P − P ∗ |. Si ottiene δ P (ρ, θ, z) = ∂P ∂P ∂P δρuρ + δθuθ + δzuz ∂ρ ∂θ ∂z (26) e il lavoro virtuale diventa ¶ µ ³−−−−→´ 1 ∗ 2 2 2 (27) δ L = FS × δ P = mω P − P × δ P = mω ρδρ = δ mω ρ . 2 −−−−→ Si noti che P − P ∗ = ρuρ , dove uρ è il versore diretto perpendicolarmente rispetto all’asse z e ha come verso il verso che si allontana da z. Il potenziale delle forze centrifughe per il punto materiale si esprime come ∗ 2 1 1 US = mω 2 ρ2 = Iω ω2 , (28) 2 2 dove Iω è il momento d’inerzia rispetto all’asse z. La generalizzazione a un sistema di N punti o a un corpo continuo è immediata. Esempio 1 Un’asta omogenea di massa M e lunghezza l è incernierata nel suo estremo O ed è posta in un piano uniformemente ruotante con velocità angolare ω attorno all’asse verticale per O. All’estremo dell’asta, viene fissata una massa puntiforme di valore m. Determinare le posizioni di equilibrio relativo dell’asta. 9 Poichè il sistema è non inerziale, il risultante delle forze centrifughe, contrariamente a quanto uno si aspetti, non viene applicato nel baricentro. Questo effetto è dovuto alla dipendenza delle forze centrifughe dalla distanza dell’asse di rotazione. E’ necessario calcolare il vero centro di applicazione delle forze centrifughe. Applichiamo la definizione e iniziamo con l’asse y ¡M ¢ 2 ¤ Rl ω2 s sin θ (s cos θ) ds ω sin θ cos θ 0 [s2 ] ds cos θl3 /3 2 l = = = yC = R l = l cos θ. ¡M ¢ R l ¡M ¢ Rl 2 /2 2 s sin θds 2 sin θ l 3 dF sds ω ω s l l 0 0 0 (29) Analogamente, troviamo per xC = 2l sin θ/. Calcoliamo il momento dell’asta rispetto al polo O (equazione pura) Rl 0 dFs y R l £¡ M ¢ 0 l µ ¶µ ¶ ¡ ¢ 2 l 2l MO = Mg sin θ+mgl sin θ− Mω sin θ l cos θ − mω 2 l sin θ (l cos θ) = 0. 2 2 3 (30) Ricaviamo µ ¶ µ ¶ M M + m gl sin θ = + m ω2 l2 sin θ cos θ (31) 2 3 che ha soluzioni sin θ = 0 e 3 2ω2 l µ =⇒ θ = 0, π ¶ M + 2m g = cos θ, M + 3m la quale ha validità solo per µ ¶ M + 2m 3 g 1 ≥ cos θ = 2 2ω l M + 3m =⇒ 2ω 2 l (M + 3m) ≥ 3 (M + 2m) g. (32) (33) (34) Un altro modo di risolvere il problema è dato dall’uso della stazionarietà del potenziale l 1 1¡ 2 2 ¢ 2 U (θ) = Mg cos θ + mgl cos θ + Iω ω2 + ml sin θ ω 2 2 2 µ 2 ¶ 1 l l 1¡ 2 2 ¢ 2 2 M sin θ ω 2 + ml sin θ ω . = Mg cos θ + mgl cos θ + (35) 2 2 3 2 Derivando otteniamo ¡ ¢ l l2 U 0 (θ) = −Mg sin θ − mgl sin θ + Mω 2 sin θ cos θ + ml2 sin θ cos θ ω 2 = 0 2 3 equivalente alla 30. Esempio 2 Un anellino di massa m scorre senza attrito su una guida circolare di raggio R che ruota con velocità angolare ω. Al tempo t = 0, l’anellino è nella posizione θ = 0 con velocità nulla. Determinare il valore di ω, affinché l’anellino raggiunga la posizione θ = π/2 con velocità nulla. Si determini, inoltre, la potenza 10 del motore in funzione della posizione. L’unica forza attiva è la forza peso. All’istante iniziale θ (0) = θ̇ (0) = 0. (36) Poichè non ci sono attriti e le forze centrifughe ammettono potenziale, possiamo usare la conservazione dell’energia meccanica T − U = E. Scriviamo T − U 1 ³ ´2 1 T − U = m Rθ̇ − m (R sin θω)2 − mgR cos θ. 2 2 (37) termine centrifugo L’energia totale iniziale è E = −mgR. Vogliamo che θ̇ quindi ³π ´ 2 = 0, r 1 2g 2 − m (Rω) = −mgR =⇒ ω = . 2 R Per calcolare la potenza del motore, usiamo il teorema dell’energia cinetica dT = Π. dt (38) (39) (40) (41) L’energia cinetica è data dall’energia cinetica dell’anellino sommata all’energia cinetica dovuta alla velocità di trascinamento: ¸ ∙³ ´ 2 1 2 (42) T = m Rθ̇ + (R sin θω) . 2 11 La potenza Π è data dalla somma della potenza del motore più la potenza della forza peso ³ ´ Π = Πmotore + Πpeso = Πmotore + −mgRθ̇ sin θ , (43) quindi Πmotore = m h³ ´ i R2 θ̇θ̈ + R2 cos θ sin θω 2 θ̇ + mgRθ̇ sin θ. (44) Dalla conservazione dell’energia, ricaviamo θ̇ 2 θ̇ = 2g (cos θ − 1) + (sin θω)2 . R (45) Derivando rispetto al tempo t, otteniamo 2θ̇θ̈ = − 2g sin θθ̇ + 2 sin θ cos θθ̇ω2 R =⇒ Sostituendo θ̇ e θ̈ in Πmotore , si ottiene " r Πmotore = m 2R2 cos θ sin θω 2 θ̈ = − g sin θ + sin θ cos θω2 . R # 2g (cos θ − 1) + (sin θω)2 . R (46) (47)