Al gioco delle bocce, un giocatore colpisce la boccia dell’avversario con la propria, Nella figura sono riportati i valori delle grandezze note. Le bocce hanno tutte la stessa massa .
Quanto vale l’angolo formato dalla traiettoria della boccia inizialmente ferma con la direzione della boccia incidente?
Nel sistema non agiscono forze esterne, pertanto la quantità di moto deve essere conservata. Per risolvere questo esercizio non basta concentrarsi sul modulo della quantità di moto, ma bisogna considerarla nella sua interezza. Quindi, considerando che la pallina rossa è inizialmente ferma, abbiamo che
da cui possiamo ricavare la relazione vettoriale
A questo punto fissiamo un sistema di coordinate cartesiane orientato con l’asse nella direzione della velocità iniziale e verso positivo come la velocità iniziale (quindi verso positivo verso sinistra) e asse perpendicolare a con verso positivo verso l’alto. In questo sistema cartesiano la relazione vista prima diventa
In una scena di film western due pistoleri si affrontano. Uno dei due fa volare via il cappello dalla testa dell’altro con un colpo di pistola. Il proiettile ha una massa di e colpisce il cappello, di massa , con una velocità di . Immediatamente dopo essere stato attraversato dal proiettile, il cappello ha velocità di . Calcola la quantità di moto totale del sistema formato da proiettile e cappello prima dell’urto. Calcola la quantità di moto totale del cappello dopo che è stato attraversato dal proiettile. Considera che, nel momento dell’urto, la quantità di moto totale del sistema si conserva e ricava la quantità di moto finale del proiettile. Calcola la velocità finale del proiettile. Calcola l’energia cinetica totale prima e dopo l’urto.
Il sistema iniziale formato dal proiettile e dal cappello vede due oggetti, uno fermo e l’altro in movimento. La quantità totale del sistema sarà data da
Dopo che è stato attraversato dal proiettile il cappello ha una velocità non nulla e pertanto anche una quantità di moto non nulla calcolabile mediante la formula
E supponendo che nel sistema cappello-proiettile la risultante delle forze esterne sia nulla, avremo che
da cui
Per concludere l’esercizio calcoliamo le due energie cinetiche prima e dopo l’urto come somma delle singole energie cinetiche, pertanto
Sul sistema barca-ragazza agiscono forze esterne, come la forza peso e la reazione vincolare, ma la somma di tutte queste forze è nulla. Pertanto vale la conservazione della quantità di moto, da cui
quindi
dove il segno meno indica il fatto che la velocità della barca e la velocità della ragazza sono di verso opposto.
Elena e Camilla, inizialmente ferme una di fronte all’altra in una pista di pattinaggio sul ghiaccio, si spingono e cominciano a muoversi nella stessa direzione, ma in versi opposti. Elena, che ha una massa di , si muove verso sinistra alla velocità di , Camilla si muove verso destra alla velocità di . Qual è la massa di Camilla?
Le forze esterne che agiscono sul sistema Elena-Camilla sono la forza peso e la reazione vincolare, pertanto sono forze a somma nulla. Possiamo quindi dire che la quantità di moto complessiva del sistema deve essere conservata. Siccome le ragazze sono inizialmente ferme la quantità di moto iniziale è zero, mentre la quantità di moto finale la possiamo calcolare come somma delle due quantità di moto, ossia
da cui
Dove abbiamo fissato il verso della velocità di Elena come verso positivo.
Una tennista cerca di mettere a segno un bel colpo sul “lungo linea” ma una folata di vento forte soffia per in direzione perpendicolare, con una forza pari a . A causa del vento la pallina () devia la sua traiettoria di . Come si vede nella figura, , e la palla esce di pochissimo sulla sinistra.
Qual è la velocità che la tennista imprime alla palla?
Osserviamo che il triangolo rettangolo formato da e e di angolo acuto è un triangolo rettangolo simile a quello formato dalle velocità, infatti la velocità finale della pallina la otteniamo facendo la somma vettoriale della velocità impressa dal tennista e di quella impressa dal vento. Pertanto
nel triangolo degli spostamenti, mentre nel triangolo delle velocità abbiamo che
in quanto la velocità del vento, a livello vettoriale, è esattamente la variazione tra velocità finale e iniziale. Pertanto
Una volta dedotto questo, e ricordato il teorema dell’impulso, abbiamo che
Nei crash-test si verifica la sicurezza degli autoveicoli. In un’auto è posto un manichino di che (con l’auto) procede alla velocità di quando questa urta un muro. A seguito dell’urto il manichino torna indietro a una velocità di . Senza airbag, l’urto del manichino contro il volante ha una durata di ; grazie all’airbag, la variazione di quantità di moto del manichino avviene in un intervallo di tempo maggiore, pari a . Quanto vale la forza media a cui sarebbe sottoposto il manichino senza airbag? Quanto vale la forza media sul manichino grazie all’intervento dell’airbag?
Dal teorema dell’impulso sappiamo che la variazione di quantità di moto è uguale all’impulso della forza che genera tale variazione, ossia
ma d’altra parte la definizione di impulso ci dice che
da cui
Una volta determinata questa formula possiamo rispondere alle due domande in quanto conosciamo tutti i dati. Infatti
dove osserviamo esplicitamente che abbiamo convertito le velocità in , inoltre la velocità finale è negativa perchè il manichino, dopo l’urto, torna indietro a una velocità di . Invece il segno negativo del risultato rappresenta il fatto che la forza è opposta al segno positivo che abbiamo scelto per questo esercizio, e il verso positivo è quello della velocità iniziale.
Una palla di massa , inizialmente ferma, è sottoposta a una forza di direzione e verso costanti, ma di intensità variabile nel tempo, secondo il grafico che segue.
Calcola la velocità della palla negli istanti di tempo e .
Nei primi il moto della palla è un moto uniformemente accelerato perchè la forza è costante, pertanto dal secondo principio della dinamica potremmo determinare l’accelerazione e poi usare le formule del moto per determinare la velocità a tale istante. Tuttavia usiamo anche per quel caso l’impulso della forza per determinare la velocità. Quando siamo di fronte a una forza variabile sappiamo che l’area (con segno) sottesa dal grafico forza-tempo rappresenta l’impulso della forza, pertanto abbiamo che
una volta determinato l’impulso, grazie al teorema dell’impulso, sappiamo che questo è uguale alla variazione di quantità di moto, ossia
ossia
mentre per calcolare la velocità all’istante facciamo
Sappiamo che quando siamo di fronte a una forza variabile l’area (con segno) sottesa dal grafico forza-tempo rappresenta l’impulso della forza, pertanto numericamente possiamo calcolare la forza media in ognuna delle tre situazioni usando la definizione di impulso, ossia
da cui
dove osserviamo esplicitamente che le aree del punto b e del punto c le abbiamo dedotte partendo dal grafico (senza pertanto calcolarle), inoltre ricordiamo che le aree sono aree con il segno, ossia se il grafico sta sotto l’asse le aree avranno segno negativo.
Un bambino lancia un’automobile giocattolo di massa contro un guardrail della pista giocattolo per farle compiere la curva rappresentata nella figura. Prima dell’impatto la velocità è , dopo diventa un quarto di quella iniziale
Disegna la quantità di moto iniziale, quella finale e la variazione . Calcola l’impulso della forza.
Sappiamo che la quantità di moto è un vettore definito come
pertanto è un vettore con stessa direzione e verso del vettore velocità e quindi possiamo disegnarlo come
Infine per determinare l’impulso della forza non possiamo usare la definizione dell’impulso siccome non conosciamo né la forza né l’intervallo di tempo di azione della forza, possiamo però usare il teorema dell’impulso che ci dice che
Una persona di si tuffa in piscina. Nel momento in cui entra in acqua la sua velocità è di e viene fermata dall’acqua in . Quali sono l’intensità, la direzione e il verso della forza media esercitata dall’acqua?
La forza esercitata dall’acqua contrasta la velocità della persona, siccome tale velocità è perpendicolare al suolo e diretta verso il basso ne segue che la forza esercitata dall’acqua sarà perpendicolare al suolo e diretta verso l’alto. Cerchiamo ora di determinare il modulo della forza; noi sappiamo che tale forza serve per portare un corpo di massa da una velocità iniziale di a in , quindi la decelerazione della persona sarà
da cui possiamo determinare la forza media con il secondo principio della dinamica