Manubrio simmetrico
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Se il corpo è simmetrico rispetto all’asse di rotazione Il momento angolare totale è parallelo all’asse di rotazione. Manubrio simmetrico. Nel caso della figura il momento M z è applicato mediante una coppia di forze Due forze uguali ed opposte non aventi la stessa retta di azione. F 2c.

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Presentation Transcript
Manubrio simmetrico

Se il corpo è simmetrico rispetto all’asse di rotazione

Il momento angolare totale è parallelo all’asse di rotazione

Manubrio simmetrico

  • Nel caso della figura il momento Mz è applicato mediante una coppia di forze

    • Due forze uguali ed opposte non aventi la stessa retta di azione

F2c

F1c

  • Per mantenere le due particelle sulla traiettoria circolare occorre applicare due forze centripete

    • A causa della simmetria del corpo esse sono collineari, uguali in modulo ed opposte

    • Costituiscono una coppia di momento nullo

    • Possono benissimo essere delle forze interne.


Coppia di forze

Due forze uguali ed opposte non aventi la stessa retta di azione

Attraverso una coppia è possibile applicare al corpo un momento puro

La risultante della coppia è nulla.

Il momento della coppia invece è indipendente dal polo

Per esempio rispetto ad O, il punto di applicazione della forza F:

Coppia di forze

O

  • È diretto perpendicolarmente al piano della coppia

  • Nel caso considerato il verso è uscente

  • Il modulo vale Fb dove b è il braccio della coppia pari alla distanza tra le retta di azione delle due forze

  • Se le due forze sono collineari il momento della coppia è nullo

  • Lo stesso momento può essere ottenuto in infiniti modi diversi.


Manubrio asimmetrico

Se il corpo azionenon è simmetrico rispetto all’asse di rotazione, e l’asse di rotazione non è un asse principale d’inerzia

Il momento angolare totale non è parallelo all’asse di rotazione

Infatti:

Manubrio asimmetrico

  • Il momento angolare trasverso, in questo caso particolare, in cui i due momenti angolari sono allineati, vale:

  • Nel caso del manubrio asimmetrico Lx ed Ly non sono nulli, anzi non sono neppure costanti perché il momento angolare precede attorno all’asse di rotazione:


Calcolo del momento delle forze esterne quando l non parallelo all asse di rotazione

Supponiamo che il momento angolare sia costante in modulo azione

Vuol dire che Mz=0, w=costante

Prendendo l’origine di L sull’asse di rotazione, la punta di L descrive una traiettoria circolare in un piano perpendicolare all’asse di rotazione.

La variazione subita da L nell’intervallo dt è data da:

Calcolo del momento delle forze esternequando L non è parallelo all’asse di rotazione

z

w

dj

dL

L

q

costante

  • Il suo modulo

  • Dalla figura

  • Affinché il momento angolare L preceda attorno all’asse di rotazione occorre applicare un momento delle forze, e quindi delle forze, la cui intensità è proporzionale al quadrato della velocità angolare.


Manubrio asimmetrico1

Riusciamo a capire il motivo dell’esistenza di questi momenti ?

Facendo riferimento alla figura, osserviamo che per mantenere sulla traiettoria circolare i due punti materiali che formano il nostro manubrio occorre applicare a ciascun punto materiale una forza centripeta.

Le due forze sono uguali in intensità ma di verso opposto e non sono allineate.

Formano una coppia di momento diverso di zero

Esse quindi non possono essere delle forze interne, come nel caso simmetrico, perché sappiamo che il momento risultante delle forze interne è nullo.

Devono essere fornite dall’esterno.

Normalmente sono i vincoli a cui è affidato il compito di mantenere fisso l’asse di rotazione, che si occupano di esercitare delle forze che svolgono lo stesso ruolo delle forze centripete menzionate.

Naturalmente anche l’intensità di queste forze aumenta con l’aumentare della velocità angolare

Manubrio asimmetrico


Equilibratura

Poiché queste forze non hanno nessun altra funzione che quella di far precedere il momento angolare attorno all’asse di rotazione

Per esempio non hanno alcuna influenza sulla velocità angolare

Ma al tempo sottopongono a sforzi inutili tutta la struttura (l’asse di rotazione, i cuscinetti, etc)

Si preferisce lavorare in modo che il momento angolare sia parallelo all’asse di rotazione (in cui tali forze non sono richieste)

Questo si ottiene “equilibrando” il corpo rigido rispetto all’asse di rotazione (equilibrature delle gomme dell’automobile)

Equilibratura


Applicazione

Un cilindro di massa 2 kg può ruotare attorno al proprio asse (longitudinale) passante per O. Nel piano della sezione rappresentata nella figura sono applicate quattro forze, aventi le intensità F e le distanze r dal centro riportate in tabella. Trovare l’intensità e il verso dell’accelerazione angolare del cilindro, ammettendo che, durante il moto, le forze mantengano la orientazione rispetto al cilindro.

Applicazione

  • L’equazione del moto:

  • L’accelerazione è diretta in verso antiorario


Applicazione1

Una riga di lunghezza L=1m, è messa in posizione verticale, appoggiata al pavimento e quindi lasciata cadere. Trovate la velocità dell’estremità superiore quando colpisce il pavimento, ammettendo che l’estremità inferiore non slitti

Applicazione

N

P

O

Fa

  • Possiamo considerare la riga come una sbarretta sottile.

  • Il moto di caduta può essere immaginato come un moto di rotazione attorno ad un asse passante per il punto di contatto O.

  • Le forze agenti sono la forza peso, la normale e la forza di attrito (statico) che mantiene fermo il punto di contatto.

  • Possiamo applicare la conservazione dell’energia:

U=0


Applicazione2

Un corpo rigido è formato da tre asticelle sottili identiche di lunghezza L, unite tra loro in modo da assumere una forma ad H come mostrato in figura.

L’insieme è libero di ruotare intorno ad una asse orizzontale fosso che coincide con una delle gambe della H. Partendo da una posizione di riposo in cui il piano della H è orizzontale, il sistema è lasciato libero di cadere.

Qual è la velocità angolare del corpo quando il piano della H arriva in posizione verticale?

Applicazione

Rv

P

Asse di rotazione

U=0

  • Proviamo ad applicare la conservazione dell’energia

  • Le forze agenti sono il Peso e la reazione vincolare applicata dall’asse di rotazione:

  • Dobbiamo calcolare il momento di inerzia dell’H rispetto all’asse di rotazione


Applicazione3

Un corpo rigido è formato da tre asticelle sottili identiche di lunghezza L, unite tra loro in modo da assumere una forma ad H come mostrato in figura.

L’insieme è libero di ruotare intorno ad una asse orizzontale fosso che coincide con una delle gambe della H. Partendo da una posizione di riposo in cui il piano della H è orizzontale, il sistema è lasciato libero di cadere.

Qual è la velocità angolare del corpo quando il piano della H arriva in posizione verticale?

Applicazione

I1

I2

I3

  • La velocità angolare vale dunque:


Moto di puro rotolamento
Moto di puro rotolamento identiche di lunghezza L, unite tra loro in modo da assumere una forma ad H come mostrato in figura.

  • Con questo moto si intende il moto caratteristico delle ruote

    • Quando un veicolo si muove, anche le ruote si muovono.

    • Naturalmente il moto delle ruote non è di pura traslazione

    • Né una semplice rotazione attorno ad un asse fisso

    • Può essere immaginato come un moto di rototraslazione

  • Qual è la peculiarità di questo moto?

    • I punti della ruota a contatto con l’asfalto sono fermi rispetto all’asfalto (non scorrono, non strisciano sull’asfalto)

    • Da qui il nome: rotolamento senza strisciamento (oppure puro rotolamento).

  • Consideriamo due istanti successivi t1 e t2.

    • Lo spostamento subito dal centro della ruota Dx è pari alla distanza tra i punti di contatto della ruota agli istanti t1 e t2.

    • Nello stesso tempo la ruota avrà subito anche uno rotazione e quindi uno spostamento angolare Dq.

  • Se il moto è di puro rotolamento esiste una relazione tra questi due spostamenti:

Condizione di puro rotolamento


Le condizioni di puro rotolamento
Le condizioni di puro rotolamento identiche di lunghezza L, unite tra loro in modo da assumere una forma ad H come mostrato in figura.

  • Abbiamo stabilito che in condizioni di puro rotolamento vale la seguente relazione tra i moduli dello spostamento angolare e quello lineare.

  • Con il sistema di riferimento scelto osserviamo che se Dx è positivo, come in figura, allora Dq è negativo (rotazione oraria)

  • Tenendo conto dei segni la condizione di puro rotolamento diventa:

  • Dividendo per Dt, e valutando il limite per Dt che tende a zero: si ottiene:

  • La velocità lungo l’asse x del centro della ruota (CM) è uguale all’opposto del prodotto del raggio della ruota per la sua velocità angolare.

  • Con una seconda derivazione, si ottiene

  • L’accelerazione lungo l’asse x del centro della ruota (CM) è uguale all’opposto del prodotto del raggio della ruota per la sua accelerazione angolare.

  • Queste tre condizioni sono verificate contemporaneamente (dipendono l’una dall’altra)

  • Esse vengono indicate come “condizioni di puro rotolamento”

N.B.:Il segno meno presente nelle condizioni di puro rotolamento dipende dal sistema di riferimento usato. Una diversa scelta del SdR potrebbe non chiedere tale segno


Ruolo della forza di attrito nel moto di puro rotolamento
Ruolo della forza di attrito nel moto di puro rotolamento identiche di lunghezza L, unite tra loro in modo da assumere una forma ad H come mostrato in figura.

  • Nel moto di puro rotolamento il punto di contatto della ruota con l’asfalto è fermo rispetto all’asfalto.

  • Il compito di mantenere fermo rispetto al piano di appoggio il punto (o i punti) di contatto è affidato alla forza di attrito

  • Naturalmente si tratta di una forza di attrito statica proprio perché il punto di contattonon scivola sulla superficie di appoggio

  • Senza attrito questo tipo di moto non è realizzabile (al massimo è possibile un moto uniforme: velocità del centro di massa costante e velocità angolare costante, non appena si vuole cambiare una delle due velocità e fare in modo che il moto continui ad essere di puro rotolamento è necessaria la presenza della forza di attrito)

  • Naturalmente, poiché la forza di attrito statico è limitata superiormente, non sempre è garantito il moto di puro rotolamento.

    • Si pensi alle frenate brusche fatte con l’automobile in cui si bloccano le ruote che scivolano sull’asfalto

    • Oppure alle accelerazioni brusche in cui le ruote girano, ma slittano sull’asfalto e non producono l’avanzamento dell’automobile.

    • Occorre verificare caso per caso se la forza di attrito statico sia sufficiente per garantire il moto di puro rotolamento

  • Si osservi infine che la forza di attrito statico compie lavoro nullo (punto di applicazione fermo). (Lo stesso vale anche per la Normale).


Interpretazione del moto di puro rotolamento

Pura rotazione attorno ad un asse perpendicolare alla figura passante per i punti di contatto.

L’asse di rotazione cambia continuamente (si parla di asse istantaneo di rotazione.

Comunque istante per istante il moto di ogni punto della ruota è uguale a quello che avrebbe se la ruota ruotasse attorno ad un asse fisso passante per i punti di contatto.

Sovrapposizione di un moto di traslazione

Moto del centro di massa

più un moto di rotazione attorno ad un asse perpendicolare alla figura e passante per il centro di massa

Interpretazione del moto di puro rotolamento

  • Il moto della ruota nel sistema del centro di massa è una rotazione attorno ad un asse fisso.

  • La velocità angolare è la stessa di quella misurata nel sistema inerziale.


Applicazione4

Una forza orizzontale costante di 10 N è applicata a una ruota di massa M=10kg e raggio R=0.30 m, nel modo come indicato in figura. La ruota rotola senza strisciare sulla superficie orizzontale, e l’accelerazione del suo centro di massa è 0.60 m/s2.

Quali sono l’intensità ed il verso della forza di attrito sulla ruota

Qual è il momento di inerzia della ruota intorno all’asse di rotazione passante per il suo centro?

Applicazione


Moto di puro rotolamento di un cilindro

Consideriamo un cilindro di massa M e raggio R che si può muovere su di un piano orizzontale sotto l’azione di una forza F applicata nel suo centro di massa.

Le altre forze agenti sul cilindro sono

La forza peso applicata al centro di massa

La normale N applicata nel punto di contatto

La forza di attrito anch’essa applicata nel punto di contatto.

Moto di puro rotolamento di un cilindro

  • Sia la normale N che la forza di attrito statico sono distribuite su tutti i punti della generatrice del cilindro a contatto con il piano

    • Facendo ricorso a questioni di simmetria possiamo renderci conto che l’insieme di queste forze è equivalente ad un’unica forza applicata nel punto di mezzo del segmento costituito dai punti contatto tra cilindro e piano orizzontale

    • Nella figura le forze risultanti, sia per quanto riguarda la Normale che per la forza di attrito statico, sono state applicate proprio nel punto precedentemente determinato (esso si trova infatti sulla sezione del cilindro che contiene il centro di massa).

  • NB: in generale non si può stabilire a priori il verso della forza di attrito statico

    • Ragioni di simmetria ci dicono che deve essere parallela alla forza applicata F, però potrebbe andare verso destra o verso sinistra.

  • In figura abbiamo scelto a caso (quasi) uno dei due versi: se risolvendo il problema determiniamo un modulo negativo, non vuol dire che abbiamo raggiunto un risultato assurdo, solo che abbiamo sbagliato la scelta del verso che, pertanto, andrà corretta.


Risoluzione del moto di rotolamento come pura rotazione attorno ai punti di contatto

L’equazione del moto è: muovere su di un piano orizzontale sotto l’azione di una forza F applicata nel suo centro di massa.

Risoluzione del moto di rotolamento come pura rotazione attorno ai punti di contatto

  • I è il momento di inerzia rispetto all’asse di rotazione

  • Mz è il momento assiale risultante delle forze applicate.

  • Nel nostro caso:

  • Utilizzando la condizione di puro rotolamento

  • NB:non abbiamo avuto alcuna informazione sulla forza di attrito.


Dal teorema del centro di massa: muovere su di un piano orizzontale sotto l’azione di una forza F applicata nel suo centro di massa.

Risoluzione del moto di rotolamento come sovrapposizione del moto del centro di massa più una rotazione attorno al centro di massa

  • L’equazione del moto di rotazione attorno ad un asse fisso nel SdR del CM:


Dove finita l energia

Con attrito muovere su di un piano orizzontale sotto l’azione di una forza F applicata nel suo centro di massa.

Moto di puro rotolamento

Senza attrito

Pura traslazione

Dove è finita l’energia

N

Fas

P

N

F

F

P

  • Se la forza opera per un tratto Dx:

  • Solo i due terzi del quadrato della velocità del caso senza attrito

  • Bisogna considerare anche l’energia cinetica del moto di rotazione


Applicazione5

Una forza orizzontale costante di 10 N è applicata a una ruota di massa M=10kg e raggio R=0.30 m, nel modo come indicato in figura. La ruota rotola senza strisciare sulla superficie orizzontale, e l’accelerazione del suo centro di massa è 0.60 m/s2.

Quali sono l’intensità ed il verso della forza di attrito sulla ruota

Qual è il momento di inerzia della ruota intorno all’asse di rotazione passante per il suo centro?

Applicazione

y

x

  • Dal teorema del centro di massa:

N

F

Fas

P

  • per la rotazione


ad