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PendoloFisico

< Teorema dell'asse parallelo? | Indice | Tensione ai capi della fune che scorre su una carrucola? >


Consideriamo un esempio semplice, una sbarra omogenea lunga e sottile, di lunghezza {$l$}, incardinata all'estremo C. Consideriamola nella posizione in cui forma un angolo {$\theta$} con la verticale. In figura è rappresentato il diagramma di corpo libero, con il vincolo in C scomposto nelle sue componenti orizzontale, {$N_x$} e verticale, {$N_y$}, con l'asse verticale orientato verso il basso.

Le equazioni del moto sono

{$$\begin{align} \frac {Ml^2} 3 \alpha &= - Mg \frac l 2 \sin\theta \\ Ma_y &= Mg-N_y\\ Ma_x &= N_x \end{align} $$}

dove si è usato il momento d'inerzia per l'asse {$z$} passante per C, ossia {${\cal I}_C= {\cal I}_{cm}+ Ml^2/4 = Ml^2/3$}, l'accelerazione angolare {$\alpha$} e le due componenti dell'accelerazione del centro di massa, {$a_x, a_y$}.

Il moto del pendolo è una rotazione attorno a C e per trovare l'equazione oraria dell'angolo {$\theta=\theta(t)$} basta la (1). Più sotto ne discutiamo l'approssimazione armonica, che produce una equazione differenziale, più difficile concettualmente, ma molto semplice dal punto di vista algebrico.

Le altre due equazioni, (2) e (3), forniscono l'andamento delle due componenti del vincolo, che possono esser ricavate geometricamente anche senza conoscere la legge oraria. Si tratta quindi di equazioni algebriche, ma i calcoli sono più lunghi. L'accelerazione del centro di massa, considerandone la componente tangenziale proporzionale ad {$\alpha$} e la componente centripeta, proporzionale al quadrato della velocità angolare {$\Omega$}, è {$a=\frac l 2 \sqrt{\alpha^2+\Omega^4}$} e dal disegno si ricava che

{$$\begin{align} a_x &= \frac l 2 (\alpha\cos\theta + \Omega^2\sin\theta)\\ a_y &= \frac l 2 (\alpha\sin\theta -\Omega^2\cos\theta) \end{align} $$}

Sostituendo (4) e (5) in (2) e (3) si ottiengono le componenti del vincolo

{$$\begin{align} N_x &= M\frac l 2 (\alpha\cos\theta + \Omega^2\sin\theta)\\ N_y &= M\left[g-\frac l 2 (\alpha\sin\theta -\Omega^2\cos\theta)\right] \end{align} $$}

che si possono ancora semplificare ricavando {$\alpha=\frac {3g}{2l}\sin\theta$} da (1). Con la conservazione dell'energia anche {$\Omega^2$} può essere ricondotto al valore dell'angolo {$\theta_0$} da cui la sbarra viene rilasciata in quiete, {$\Omega^2= \frac{3g}{l}(\cos\theta-\cos\theta_0)$}, col seguente risultato

{$$\begin{align} N_x &= \frac {3Mg} 2\sin\theta\left[\frac 3 2 \cos\theta -\cos\theta_0\right]\\ N_y &= - Mg \left[1 + \frac 3 2 (\cos^2\theta - \cos\theta\cos\theta_0) - \frac 3 4 \sin^2\theta\right] \end{align} $$}

Queste equazioni valgono per qualunque valore di {$\theta$} e {$\theta_0$}. Controlliamo ad esempio {$\theta_0=\pi/2$}, la sbarra parte da ferma in orizzontale e cade a valori di {$\theta<\pi/2$}. Si vede facilmente che in partenza {$N_x=0$} e {$N_y=-Mg/4$} che riduce l'accelerazione iniziale del centro di massa, tutta lungo {$y$} e pari a {$3g/4$}. Anche per {$\theta=0$} si ottiene {$N_x=0$}, mentre {$N_y=-5Mg/2$} fornisce la forza centripeta {$3Mg/2$} della rotazione, malgrado la forza di gravità opposta. Infine per {$\theta=\theta_0=0$} si ha il caso statico, con {$N_y=Mg$}

Pendolo Fisico. Un corpo rigido soggetto alla forza peso, vincolato in un punto diverso dal centro di massa. Nell'esempio una sbarra vicolata nell'estremo C

Per piccoli angoli l'equazione (1) si riduce all'approssimazione

{$$ \alpha = \frac {d^2\theta}{dt^2} = - \frac {3g} {2l} \theta$$}

che predice il moto armonico, con

{$$\theta(t) = \theta_0 \cos\sqrt{\frac{3g}{2l}}t$$}

Non si confonda la pulsazione {$\omega=\sqrt{\frac{3g}{2l}}$} con la velocità angolare {$\Omega$} del pendolo, definita sopra. Nell'approssimazione dei piccoli angoli si avrà

{$$ \begin{align*} \Omega(t) &= -\theta_0\omega \sin\omega t\\ \alpha &= - \theta_0\omega^2\cos\omega t = -\omega^2\theta(t) \end{align*}$$}


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