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Prova scritta del 10 aprile 2015
A.A. 2014-15 Fisica Generale 10-04-15 ESERCIZIO 1 Si consideri un elemento materiale di massa m = 248 g appoggiato su di una superficie orizzontale scabra, al quale viene applicata una forza orizzontale F; i coefficienti di attrito fra l’elemento e la superficie valgono s= 0.78 e d = 0.42. Calcolare: a) il minimo valore di F che è necessario applicare per mettere l’elemento in moto; b) il modulo RM della massima reazione vincolare statica (attrito più normale) esplicabile dal vincolo; c) il modulo dell'accelerazione dell’elemento materiale se la forza agente ha modulo F = 1.50 N. Soluzione a) Le forze sono: la forza applicata F, la forza di attrito f, la forza peso Fp e la reazione normale N. Prendendo un asse x diretto come il piano e un asse y perpendicolare, verso l’alto, la proiezione della seconda legge di Newton sui due assi fornisce: 0 0 si ha quindi 0.78 0.248 9.8 1.89 . La forza minima per mettere l’elemento in moto è quindi 1.89 . b) Il modulo della massima reazione vincolare statica è 1 1 2 0.248 9.8 3.08 1 0.78 c) Per un valore del modulo della forza F pari a 1.50 N, essendo tale valore inferiore a , se l’elemento è fermo essa non riuscirà a metterlo in moto, quindi si avrà 0. Se invece l’elemento ha inizialmente velocità non nulla, allora l’equazione della seconda legge lungo l’asse orizzontale va riscritta come , con . Si ha pertanto: ⁄ 1.5 ⁄ 0.248 0.42 9.8 1.93 ESERCIZIO 2 Un vagone di massa m = 6.0·103 kg si muove con velocità di modulo v1 = 3.5 m s1 su un piano orizzontale; percorre quindi un dislivello di h = 12 m e raggiunge un secondo vagone che stava viaggiando con velocità di modulo v2 = 6.7 m s1 nella stessa direzione; dopo l'urto i due vagoni restano agganciati e continuano a muoversi con velocità iniziale di modulo V = 9.5 m s1 e si fermano dopo un tempo t = 60 s a causa di una forza di attrito costante. Calcolare: a) la massa del secondo vagone; b) la potenza sviluppata dalla forza di attrito. Soluzione a) Inizialmente la velocità del primo vagone aumenta a causa del dislivello. Sia vagone al termine del dislivello, si ha: 1⁄2 2 3.5 1⁄2 2 9.8 12 1 , da cui 15.73 la velocità del primo A.A. 2014-15 Fisica Generale 10-04-15 Quando i vagoni si urtano si conserva la quantità di moto: ⁄ 6.0 10 15.73 9.5 , da cui: ⁄ 9.5 6.7 13350 . b) La potenza sviluppata dalla forza di attrito si può calcolare dalla definizione di potenza e tramite il teorema del lavoro e dell’energia cinetica; questa, subito dopo l’urto, è per l’insieme dei due vagoni: 1⁄2 1⁄2 6.0 10 13.35 10 9.5 873169 . | |⁄ |∆ |⁄ Si ha quindi 873169 ⁄60 14553 ESERCIZIO 3 Una sfera di massa m = 24 kg parte da fermo dalla cima di un piano inclinato, scendendo con moto di puro rotolamento. La sommità del piano ha una altezza h = 3.5 m, e l’inclinazione rispetto all’orizzontale è = 23°. Il coefficiente di attrito statico fra la sfera e il piano è s = 0.30. Calcolare: a) la velocità con cui la sfera arriva in fondo al piano; b) il modulo della forza di attrito agente sulla sfera; c) l'angolo di inclinazione massimo che consente il rotolamento senza strisciare Soluzione a) L'unica forza che lavora qui è la forza peso che è una forza conservativa; quindi l'energia cinetica finale deve essere uguale all'energia potenziale iniziale; a sua volta l'energia cinetica può essere calcolata come energia cinetica di rotazione attorno al punto di contatto cioè Ec = ½ I 2, dove il momento d'inerzia è quello rispetto all'asse di rotazione passante per il punto di contatto e che va calcolato utilizzando il teorema di Huygens-Steiner: I = IC + m r2 = 2/5 m r2 + m r2 = 7/5 m r2 Riconoscendo che r2 2 = vC2, si ottiene Ec = ½ 7/5 m r2 2 = 7/10 m vC2. Uguagliando, come detto, questa energia cinetica con l'energia potenziale iniziale mgh si trova mgh = 7/10 m vC2, da cui: 10⁄7 7.0 . b) Le forze agenti sulla sfera sono la forza peso mg, applicata al baricentro, la forza di reazione vincolare perpendicolare N, applicata al punto di appoggio, e la forza di attrito statico fs, anch'essa applicata al punto di appoggio. Le equazioni cardinali sono Scegliendo come polo il punto di appoggio, l'unica forza ad avere momento non nullo è la forza peso; le precedenti equazioni, scritte per componenti, quindi diventano: sin cos 0 sin utilizzando il momento d'inerzia già calcolato e ricordando che r = aC, si trova m g r sen= 7/5 m r2 aC/r, da cui m aC = 5/7 m g sen e quindi fs = mg senm aC = mg sen5/7 mg sen/7 mg sen = 26.3 N. c) Il valore massimo del modulo della forza di attrito statico che può sviluppare il vincolo è fsM = s N =s m g cos = 26 N Per avere un moto di puro rotolamento il modulo della forza di attrito calcolato sopra non deve superare tale valore, quindi deve valere = 2/7 mg sin s mg cos, da cui tan 7⁄2 2 46° e quindi tan 7⁄2 46°