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Treni
0.1
Treni
Alle 15.30 del 08/08/1888 un treno parte dalla stazione
di Nuncè diretto alla stazione di Eccè. Il treno procede alla ragguardevole velocità di 80 Km/h (velocità
che possiamo considerare costante). Dopo 45 minuti il
macchinista Nino si accorge del sopraggiungere del treno
di Neno che procede alla velocità costante di 60 Km/h.
Nino aziona immediatamente la ’rapida’ che permette di
frenare con decelerazione costante di 4 metri/sec2 . Quale
deve essere la distanza tra i due treni a¢nchè lo scontro
venga evitato?
Treni1
——————————————————————
Ok, sto aspettando...
Meno male, qualcuno ha avuto il coraggio di dirlo. La Fisica non deve
annullare il buon senso: come accidenti può essere evitato lo scontro se Neno
non frena?
Epperò concediamoci di proseguire come se non ci fossimo accorti dell’assurdità
del problema (molti studenti lo avrebbero fatto comunque). Ovviamente in
questo problema conosciamo la traiettoria del moto cioè la linea ferroviaria (
a meno di disastri!) e quindi conviene non prendere un riferimento cartesiano
1
bensì un riferimento unidimensionale sulla traiettoria stessa. Per questo occorre
scegliere (è nostra facoltà) un punto di origine  e un verso per stabilire il segno
della coordinata (in gergo: ascissa curvilinea usualmente indicata con ) e una
unità di misura per lo spazio (scegliamo ). Memori degli insegnamenti del
problema precedente, cerchiamo di scegliere il riferimento più semplice. Mettiamoci nei panni di Nino: siamo sulla locomotiva e procediamo verso Eccè
quando, ecco, vediamo il treno di Neno. Ci sembra naturale far scattare ora il
cronometro (origine dei tempi  = 0) e porre il verso della linea di riferimento
verso Eccè. L’origine dovrebbe essere dove siamo ora, tuttavia c’è un problemino: vorremmo trattare i due treni come punti materiali ma evidentemente
non lo sono. Però ai …ni del problema lo scontro avverrà, se avverrà, tra i respingenti anteriori del treno di Nino e quello di Neno: quindi prendiamo il punto più
avanzato di questi respingenti come rappresentativo dei treni. Allora l’origine
( = 0) sarà posta alla posizione del punto anteriore del respingente del treno
di Nino al tempo  = 0 (vedi …gura Treni 2 ).
Treni 2
Fissato questo riferimento abbiamo quasi tutti i dati iniziali per il moto dei
due treni (indicheremo con il pedice 1 le variabili del treno di Nino e con 2 quelle
del treno di Neno):
1 (0) = 0 
1 (0) = +80 
(1)
(2)
2 (0) = + 
1 (0) = ¡60 
(3)
(4)
( non è nota ed è la quantità da trovare... giusti…care i segni!)
2
Sappiamo inoltre che Nino frena e quindi il suo moto sarà uniformemente
accelerato (accelerazione costante  = 4 2 ), perciò dalla teoria abbiamo per
il treno di Nino
1 () = _ 1 () = 1 (0) ¡  
(5)
1 () = 1 (0) + 1 (0)  ¡
1
 2
2
(6)
(giusti…care i segni!)
—————————
NOTAZIONE : all’uso dei …sici le derivate rispetto al tempo saranno spesso
indicate con un punto sovraimposto:
_ =

2
 Ä = 2 


(7)
——————————
Neno non frena e quindi
2 () = _ 2 () = 2 (0)
(8)
2 () = 2 (0) + 2 (0) 
(9)
Quale è la condizione di scontro? Ovviamente lo scontro ci sarà se ad un
tempo ¹  0 i respingenti dei due treni saranno a contatto cioè occuperanno la
stessa posizione:
1 (¹) = 2 (¹)
(10)
ossia
1
1 (0) + 1 (0) ¹ ¡  ¹2 = 2 (0) + 2 (0) ¹
2
che riscriviamo
20 ¹ 20
¹2 +
+
=0


dove (vedi le 1,3,2,4)
(11)
(12)
0 = 2 (0) ¡ 1 (0) = ¡60  ¡ 80  = ¡140 
(13)
0 = 2 (0) ¡ 1 (0) =   ¡ 0  =  
(14)
Risolviamo la (12)
r³ ´
0
0 2 20
¹
§ = ¡ §
¡
(15)



Questa è la soluzione matematica: ora dobbiamo ’tradurla’ i termini …sici
accettabili. Punto primo: il tempo ¹ deve essere un numero reale (e positivo!),
quindi il discriminante deve essere maggiore o uguale a zero:
³  ´2 2
0
¡ 0 ¸0
(16)


3
cioè
( 1)
02 ¸ 20
(17)
Quindi la distanza tra i due treni per avere scontro deve essere
0 ·
02
2
02
2
(18)
02
2
uno scontro al tempo 0 = ¡ 0 , se
q¡ ¢
0 2
0  2 ci saranno due scontri: il primo al tempo 1 = ¡ 0 ¡
¡ 20 ,

q¡ ¢
0 2
il secondo al tempo 2 = ¡ 0 +
¡ 20 . Nonostante l’apparenza, tutti

questi tempi sono positivi e quindi accettabili datochè 0  0 (vedi (13) e
ragiona: se i tempi fossero negativi vorrebbe dire che lo scontro o gli scontri
sarebbero già avvenuti...). Così dice la matematica... ma che signi…ca? come
può non esserci scontro dato che il secondo treno non frena? come possono
esserci addirittura due scontri? Meditare gente, meditare...
Se 0 
nessuno scontro, se 0 =
02
Riassumiamo quanto trovato sopra in un gra…co spazio-tempo (utile visualizzazione). Dalla (9) vediamo che nel gra…co spazio-tempo la legge oraria del
treno di Neno (tecnicamente è detta linea di vita o linea di universo: badate
bene che la linea universo NON è la traiettoria del punto materiale!) è una
retta che parte ( = 0) da  = 0 =  e incrocia l’asse  al tempo j2(0)j (vedi
…gura Treni 3 ).
Treni 3
4
La linea di universo del treno 1, ovvero del treno di Nino, è una parabola
col vertice (massima distanza dall’origine) in alto al tempo 1(0) e intersezioni
con l’asse dei tempi ai tempi 0 21(0) . Nella …gura le due linee universo non si
2
incontrano ( la retta è ’sopra’ la parabola) quindi abbiamo scelto 0 =   20
(vedi 18). Ma è chiaro che se diminuiamo il valore di 0 =  la retta si abbasserà
2
…nchè diverrà tangente alla parabola ( = 20 ); diminuendo ulteriormente il
valore di  avremo due intersezioni con la parabola e quindi un primo e un
secondo scontro... (vedi …gura Treni 4 )
Treni 4
Ritorniamo al dilemma iniziale: come può non esservi scontro se Neno non
frena? Il fatto è che abbiamo applicato le leggi del moto per un tempo inde…nito
(possibilmente in…nito) mentre le leggi del moto valgono …nchè le condizioni rimangono invariate. Per esempio è chiaro che se vi fosse uno scontro allora dopo
lo scontro i due treni rimarrebbero più o meno accartocciati nel luogo dello scontro stesso e quindi sarebbero fermi e quindi la loro linea di universo, dal tempo
dello scontro al tempo della rimozione dei rottami, sarebbe una linea orizzontale
parallela all’asse dei tempi (vedi …gura Treni 5 e nota che l’inclinazione di una
linea nel diagramma spazio tempo dà la velocità.... )
5
Treni 5
Ritornando al primo diagramma spazio-tempo (…gura Treni 3), è chiaro che
il treno 1 si fermerà al tempo 1(0) che corrisponde al vertice della parabola (nel
vertice la tangente è orizzontale e quindi la velocità è nulla). La parte successiva della parabola rappresenterebbe il moto del treno di Nino se le condizioni
rimanessero invariate cioè se l’accelerazione del treno 1 rimanesse la stessa di
prima, ovvero se Nino, dopo aver frenato …no a fermarsi, procedesse poi in retromarcia con accelerazione costante di 4 metri/sec2 . Chiaro? e come potrebbero
essere possibili due scontri? spero che qualcuno ci sia arrivato, cioè che trovata
la risposta abbia poi individuato il problema di cui la risposta è risposta! (procedimento non raro nella scienza..). Infatti, nei limiti del problema originario,
dobbiamo certamente ri…utare la possibilità di un secondo scontro (vedi le considerazioni precedenti). Tuttavia, con un pò di fantasia, potremmo immaginare
che i due treni NON viaggino sullo stesso binario bensì su due binari paralleli
(per di più, volendo essere puntigliosi, nel testo NON è espressamente detto che
i treni sono sullo stesso binario!). Allora i due "incontri" possono ben veri…carsi.
Il treno di Nino in frenata incrocia (in  vedi …gura Treni 4 ) il treno di Neno,
che continua imperterrito il suo cammino: poi il treno di Nino si ferma (vertice
della parabola) e quindi accelera in retromarcia …no a raggiungere di nuovo e a
superare Neno (in : vedi …gura Treni 4 ).
Sarebbe estremamente utile per gli studenti a¤rontare e risolvere le possibili
varianti di questo problema iniziando da varianti banali (cambiamenti di riferimento tipo origine in Nuncè, oppure in Eccè, verso opposto della traiettoria,
etc. etc.) a quelle un pò meno banali tipo: i due treni viaggiano nella stessa
direzione, o in direzioni opposte a quelle date, o ...
Nota 1
6
Dato che nel problema l’incognita è una distanza e non un tempo, passare
alla legge oraria non è necessario: basta una relazione tra velocità e spazio
(un integrale primo del moto...). Per il moto uniformemente accelerato su una
traiettoria abbiamo:
Ä() = 
(19)
cioè
()
=
(20)

Ora vogliamo considerare la velocità non in funzione del tempo bensì dello
spazio, cioè  = () Allora nella (20) la derivazione rispetto al tempo è inappropriata. Quindi ’forziamo’ la derivazione rispetto allo spazio
() 
=
(21)
 
ottenuta ’moltiplicando’ e ’dividendo’ il primo membro della (20) per . Dato
che per de…nizione 
=  abbiamo



=

(22)
Moltiplichiamo entrambi i membri per  :
  =  
(23)
e integriamo entrambi i membri, tenendo in conto che l’integrale inde…nito è
l’operatore inverso del di¤erenziale a meno di una costante, cioè
Z
 =  + 
(24)
Allora abbiamo
e quindi ( è costante)
Z
  =
Z
  + 
(25)
1 2
 = +
(26)
2
La costante di integrazione  può essere legata al dato ’iniziale’: infatti
ponendo in (26)  = 0 abbiamo
1 2
 (0) = 
2
(27)
2 () =  2 (0) + 2  
(28)
e quindi
Questa formula è presente anche nei testi liceali...
avrebbe fornito direttamente la condizione (17).
Tre ulteriori considerazioni:
7
nel problema sopra
² nella (28) (0) non è la velocità al tempo zero bensì la velocità allo spazio
zero (origine del riferimento: non sempre il cronometro scatta quando il
punto materiale è nell’origine...)
² l’integrale primo del moto (28) è strettamente legato alla conservazione
dell’energia (meditare, sfrugugliare)
² abbiamo voluto derivare la formula (28) facendo matematica da …sici:
ad esempio abbiamo ’moltiplicato’ e ’diviso’ per l’in…nitesimo  abbiamo considerato la derivata   come se fosse 
 cioè fosse veramente il
quoziente tra i di¤erenziali  e  . Attenzione! se uno studente facesse
ciò ad un esame di matematica potrebbe facilmente essere bocciato. Eppure i …sici (che, tra parentesi, hanno ’inventato’ il calcolo di¤erenziale)
hanno da sempre fatto a cuor leggero tali operazioni, seppure con grande
scandalo dei matematici. Epperò alla …ne sono stati vendicati: circa 40
anni fa è stato introdotto un nuovo campo numerico (campo dei numeri
surreali) in cui tali operazioni sono perfettamente lecite: in…niti e in…nitesimi di ogni ordine non sono altro che ’numeri’ di tale campo. Quindi se un
matematico vi dovesse cogliere in fallo in qualche operazione ’disinvolta’,
potreste sempre rispondere: "ma io stavo operando nel campo surreale!"
0.2
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