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Quantità di moto, urti e momento angolare
1. La quantità di moto Il moto a reazione avviene per la legge di conservazione della quantità di moto. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi Il vettore quantità di moto Il vettore quantità di moto di un corpo è dato dal prodotto della massa per il vettore velocità. • ha la stessa direzione e verso del vettore velocità; • è proporzionale alla velocità e alla massa (a parità di v, p è maggiore per un treno che per un'automobile). • Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi 2. La conservazione della quantità di moto Consideriamo un fenomeno che simula “l’esplosione” di un corpo in due frammenti: p totale era zero all'inizio e rimane zero alla fine. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi La conservazione della quantità di moto Consideriamo ora i due frammenti di massa l'una doppia dell'altra: p totale era zero all'inizio e rimane zero alla fine. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi La conservazione della quantità di moto Quindi la quantità di moto di ciascun corpo cambia, mentre la quantità di moto totale del sistema rimane costante. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi La legge di conservazione della quantità di moto In termini più generali si esprime: se su un sistema non agiscono forze esterne, la quantità di moto totale del sistema si conserva. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi 3. L'impulso di una forza Definiamo impulso di una forza F il vettore prodotto della forza per l'intervallo di tempo durante il quale essa agisce: L'impulso è legato alla variazione di p: ovvero Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi Il teorema dell'impulso Dalle formule precedenti si ricava il teorema dell'impulso: ovvero La variazione della quantità di moto che una forza determina è uguale all'impulso della forza stessa. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi Minimizzare la forza d'urto Quando si subisce un urto, c'è una grossa variazione di p. Poiché , Furto=p/t. Se il tempo dell'urto t è più lungo allora la Furto è più piccola. Per aumentare t , nelle cadute si piegano le gambe. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi Minimizzare e massimizzare la forza d'urto Nelle automobili l'intervallo di tempo t viene aumentato (e quindi Furto minimizzata) utilizzando gli airbag e carrozzerie deformabili. Nel karate, un brevissimo t massimizza Furto e consente di spezzare una pila di mattoni. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi 4. I princìpi della dinamica e la legge di conservazione della quantità di moto Consideriamo l'interazione di due corpi A e B e utilizziamo la notazione seguente: Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi I princìpi della dinamica e la legge di conservazione della quantità di moto Per il III principio della dinamica: Moltiplicando per t: Per il teorema dell'impulso si ha: quindi Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi I princìpi della dinamica e la legge di conservazione della quantità di moto La formula precedente si può scrivere: La conservazione della quantità di moto in un sistema isolato è conseguenza dei princìpi della dinamica. L'emissione di gas dai motori dell'aereo determina la spinta in avanti. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi Una conferma sperimentale La foto mostra l'urto di due biglie di massa diversa: Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi Una conferma sperimentale Se rappresentiamo con frecce dello stesso colore delle biglie le quantità di moto iniziali e finali, si vede che la quantità di moto totale resta la stessa prima e dopo l'urto. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi 5. Gli urti su una retta Durante un urto i due corpi che collidono rappresentano un sistema isolato, quindi la quantità di moto totale si conserva. m1, m2: masse dei corpi v1, v2: velocità prima dell'urto V1, V2: velocità dopo l'urto Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi Urto elastico Durante un urto elastico si conservano: • la quantità di moto totale; • l'energia cinetica totale. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi Urto elastico Se conosciamo le masse di corpi e le velocità iniziali, possiamo ricavare le velocità finali risolvendo il sistema: p1 + p2 = cost. K1 + K2 = cost. In cui compaiono due equazioni nelle due incognite V1 e V2. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi Urto completamente anelastico I due oggetti che collidono rimangono uniti dopo l'urto: Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi Urto completamente anelastico In un urto completamente anelastico V1 = V2 = V: la velocità finale V è determinata dalla sola legge di conservazione della quantità di moto. Si ha ovvero Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi 6. Gli urti obliqui Caso semplice: due biglie uguali di massa m, di cui una inizialmente ferma; urto elastico. Indichiamo con: Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi Gli urti obliqui 1) Imponiamo la conservazione di p: dividendo per m: 2) Imponiamo la conservazione di K: ovvero Il triangolo ABC è rettangolo. Dopo l'urto le due biglie hanno velocità perpendicolari tra loro. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi 7. Il momento angolare Esaminiamo i moti di rotazione. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi Il momento angolare Per descrivere le momento angolare: rotazioni (Il vettore quantità di moto ha stessa direzione e verso del vettore velocità.) Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi introduciamo il Il momento angolare Ricordando la definizione di prodotto vettoriale, L ha: direzione perpendicolare al piano di r e v; verso dato dalla regola della mano destra; modulo L dato dalle formule: dove è l'angolo tra i vettori r e p. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi 8. Conservazione e variazione del momento angolare Il momento angolare totale di un sistema si conserva se è nullo il momento totale delle forze esterne che agiscono sul sistema stesso. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi Conservazione e variazione del momento angolare Se sul sistema agiscono delle forze che hanno un momento totale M per un tempo t, la variazione di L è data da: M è il momento torcente del sistema, che è in grado di aumentare o diminuire la velocità di rotazione. Copyright © 2009 Zanichelli editore Ugo Amaldi - Immagini della fisica di Amaldi