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Cinematica e dinamica del moto curvilineo e oscillatorio · Moto circolare uniforme e forza centripeta

Forza centripeta

Sei in auto su una curva stretta: anche se il tachimetro segna sempre la stessa velocità, senti il corpo "spinto" verso l'esterno. Eppure la velocità non cambia in modulo. Che cosa sta succedendo, e quale forza ti tiene sulla traiettoria curva? Lo scopriremo in questa pagina.

Grandezze del moto circolare uniforme

Un moto circolare uniforme ha traiettoria circolare di raggio $r$ e velocità di modulo costante. Si descrive con:

  • il periodo $T$: tempo di un giro completo (in $\mathrm{s}$);

  • la frequenza $f = 1/T$ (in $\mathrm{Hz}$);

  • la velocità angolare $\omega = \dfrac{2\pi}{T} = 2\pi f$ (in $\mathrm{rad/s}$);

  • la velocità tangenziale $v = \dfrac{2\pi r}{T} = \omega r$ (in $\mathrm{m/s}$).

Il perché di $v = \omega r$: in un periodo il corpo percorre l'intera circonferenza $2\pi r$, quindi $v = 2\pi r / T$.

Moto circolare uniforme: il vettore velocità è tangente alla circonferenza, l'accelerazione punta verso il centro v (tangente) a centripeta r centro

Il vettore velocità è sempre tangente alla traiettoria; cambia direzione in continuazione, anche se il modulo è costante.

Esercitati★☆☆Da iniziare
Una giostra a Mirabilandia ruota con periodo $T = 8,0\ \text{s}$. Un bambino si trova a $4,0\ \text{m}$ dall'asse. a) Calcola la velocità angolare della giostra. b)…

Una giostra a Mirabilandia ruota con periodo $T = 8,0\ \text{s}$. Un bambino si trova a $4,0\ \text{m}$ dall'asse.

  1. a) Calcola la velocità angolare della giostra.
  2. b) Calcola la velocità tangenziale del bambino.
  3. c) Calcola la sua accelerazione centripeta.
Risolvi

Accelerazione e forza centripeta

Per il secondo principio, se la velocità cambia (anche solo in direzione) c'è un'accelerazione, e quindi una forza risultante. Nel moto circolare uniforme la variazione $\Delta\vec v$ punta verso il centro: l'accelerazione è centripeta.

Perché $v^2/r$? Più la velocità è grande, più rapidamente ruota il vettore $\vec v$; più il raggio è piccolo, più la curva è stretta. Quindi $a_c$ cresce con $v$ (al quadrato) e cresce al diminuire di $r$.

Attenzione: la forza centripeta non è una forza nuova. È il nome del ruolo svolto dalla risultante delle forze reali dirette verso il centro: tensione di un filo, attrito, reazione vincolare, componente del peso, gravità.

Se la forza centripeta viene a mancare (il filo si spezza), il corpo prosegue di moto rettilineo uniforme lungo la tangente (primo principio), non verso l'esterno lungo il raggio.

Esercitati★☆☆Da iniziare
Un'auto di massa $1.200\ \text{kg}$ percorre una curva circolare di raggio $50\ \text{m}$ alla velocità costante di $10\ \text{m/s}$ su strada piana. a) Calcola…

Un'auto di massa $1.200\ \text{kg}$ percorre una curva circolare di raggio $50\ \text{m}$ alla velocità costante di $10\ \text{m/s}$ su strada piana.

  1. a) Calcola l'accelerazione centripeta.
  2. b) Calcola la forza centripeta necessaria.
  3. c) Quale forza reale la fornisce?
Risolvi
Esercitati★☆☆Da iniziare
Un sasso di massa $0,20\ \text{kg}$ legato a un filo lungo $0,80\ \text{m}$ viene fatto ruotare in un piano orizzontale (si trascuri la gravità sulla traiettoria) con…

Un sasso di massa $0,20\ \text{kg}$ legato a un filo lungo $0,80\ \text{m}$ viene fatto ruotare in un piano orizzontale (si trascuri la gravità sulla traiettoria) con velocità $4,0\ \text{m/s}$.

  1. a) Calcola la tensione del filo.
  2. b) Che cosa accade al sasso se il filo si spezza? Giustifica.
Risolvi

Curve piane e curve sopraelevate

Curva piana. Su strada piana l'unica forza orizzontale è l'attrito statico tra pneumatici e asfalto, diretto verso il centro. La reazione vincolare equilibra il peso: $F_N = mg$. Al limite:

$$\mu_s m g = \frac{m v^2}{r} \;\Rightarrow\; v_{max} = \sqrt{\mu_s\, g\, r}$$

La massa si semplifica: la velocità massima non dipende da $m$. Su strada bagnata $\mu_s$ diminuisce e quindi $v_{max}$ scende.

Curva sopraelevata. Se la strada è inclinata di un angolo $\theta$ verso l'interno, anche la reazione vincolare ha una componente verso il centro. Senza attrito, le forze sono $m\vec g$ e $\vec F_N$:

Auto su curva sopraelevata: la componente orizzontale della reazione vincolare fornisce la forza centripeta FN (reazione vincolare) mg verso il centro θ

Verticale: $F_N\cos\theta = mg$. Radiale (orizzontale): $F_N\sin\theta = \dfrac{mv^2}{r}$. Dividendo membro a membro:

$$\tan\theta = \frac{v^2}{g\,r} \;\Rightarrow\; v = \sqrt{g\,r\tan\theta}$$

È la velocità di progetto: a quella velocità l'auto non ha bisogno di attrito.

Esercitati★★☆Da iniziare
Un'auto di massa $1.000\ \text{kg}$ affronta una curva di raggio $80\ \text{m}$ su asfalto asciutto con coefficiente di attrito statico $\mu_s = 0,80$. Usa…

Un'auto di massa $1.000\ \text{kg}$ affronta una curva di raggio $80\ \text{m}$ su asfalto asciutto con coefficiente di attrito statico $\mu_s = 0,80$. Usa $g = 9,8\ \text{m/s}^2$.

  1. a) Calcola la velocità massima con cui può percorrere la curva senza sbandare.
  2. b) Se la strada è bagnata e $\mu_s = 0,40$, quanto vale la nuova velocità massima?
  3. c) Dipende dalla massa dell'auto? Giustifica.
Risolvi
Esercitati★★☆Da iniziare
Una curva sopraelevata di raggio $100\ \text{m}$ è inclinata di $15°$ e si trascura l'attrito. Usa $g = 9,8\ \text{m/s}^2$. a) Ricava la velocità di progetto per cui…

Una curva sopraelevata di raggio $100\ \text{m}$ è inclinata di $15°$ e si trascura l'attrito. Usa $g = 9,8\ \text{m/s}^2$.

  1. a) Ricava la velocità di progetto per cui l'auto non ha bisogno di attrito.
  2. b) Calcola il suo valore in km/h.
  3. c) Che cosa fornisce la forza centripeta in questo caso?
Risolvi

Traiettorie verticali: secchio, dosso, giro della morte

Nel cerchio verticale peso e forza di contatto si combinano diversamente a seconda del punto. Scegli sempre l'asse verso il centro come positivo.

Secchio (corda). Nel punto più alto peso e tensione puntano verso il centro; nel punto più basso la tensione punta verso il centro e il peso no:

$$\text{alto: } T + mg = \frac{mv^2}{r} \qquad \text{basso: } T - mg = \frac{mv^2}{r}$$

La tensione è maggiore in basso. In alto la corda resta tesa se $T \ge 0$, cioè $v \ge \sqrt{g r}$ (velocità minima: il solo peso fa da forza centripeta).

Dosso (sommità di un ponte). Il centro è sotto l'auto: il peso punta verso il centro, la reazione vincolare no:

$$mg - F_N = \frac{mv^2}{r} \;\Rightarrow\; F_N = m\left(g - \frac{v^2}{r}\right)$$

$F_N$ diminuisce al crescere di $v$ e si annulla per $v = \sqrt{g r}$: l'auto perde contatto con la strada. I passeggeri si sentono "più leggeri".

Giro della morte. Nel punto più alto serve $v_{alto} \ge \sqrt{gR}$. Con la conservazione dell'energia meccanica (senza attrito), tra basso e alto, con dislivello $2R$:

$$\tfrac12 m v_{basso}^2 = \tfrac12 m v_{alto}^2 + mg(2R) \;\Rightarrow\; v_{basso}^2 = v_{alto}^2 + 4gR \ge 5gR$$

Il carrello partito da fermo dall'altezza $h$ rispetto al punto più basso ha $v_{basso}^2 = 2gh$, quindi $h \ge \tfrac52 R$.

Esercitati★★☆Da iniziare
Un secchio con acqua di massa totale $3,0\ \text{kg}$ viene fatto ruotare in un cerchio verticale di raggio $0,90\ \text{m}$ con velocità costante $4,0\ \text{m/s}$. Usa…

Un secchio con acqua di massa totale $3,0\ \text{kg}$ viene fatto ruotare in un cerchio verticale di raggio $0,90\ \text{m}$ con velocità costante $4,0\ \text{m/s}$. Usa $g = 9,8\ \text{m/s}^2$.

  1. a) Calcola la tensione della corda nel punto più alto.
  2. b) Calcola la tensione nel punto più basso.
  3. c) Qual è la velocità minima nel punto più alto perché la corda resti tesa?
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Esercitati★★★Da iniziare
Un'auto di massa $m$ percorre un dosso circolare (sommità di un ponte) di raggio $R = 40\ \text{m}$. Usa $g = 9,8\ \text{m/s}^2$. a) Esprimi la forza normale sulla…

Un'auto di massa $m$ percorre un dosso circolare (sommità di un ponte) di raggio $R = 40\ \text{m}$. Usa $g = 9,8\ \text{m/s}^2$.

  1. a) Esprimi la forza normale sulla sommità in funzione di $v$.
  2. b) Determina la velocità alla quale l'auto perde contatto con la strada.
  3. c) Commenta fisicamente il risultato e la sensazione dei passeggeri per $v$ crescente.
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Esercitati★★★Da iniziare
Un carrello delle montagne russe di massa $m$ percorre un giro della morte di raggio $R = 8,0\ \text{m}$ senza attrito. Usa $g = 9,8\ \text{m/s}^2$. a) Determina la…

Un carrello delle montagne russe di massa $m$ percorre un giro della morte di raggio $R = 8,0\ \text{m}$ senza attrito. Usa $g = 9,8\ \text{m/s}^2$.

  1. a) Determina la velocità minima nel punto più alto per non staccarsi dalla guida.
  2. b) Usando la conservazione dell'energia, calcola la velocità minima nel punto più basso.
  3. c) Da quale altezza minima rispetto al punto più basso deve partire da fermo il carrello? Giustifica.
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Il pendolo conico

Una massa $m$ appesa a un filo di lunghezza $L$ descrive una circonferenza orizzontale; il filo forma l'angolo $\theta$ con la verticale. Forze: peso $m\vec g$ e tensione $\vec T$. Il raggio è $r = L\sin\theta$.

Pendolo conico: tensione del filo e peso, con raggio r = L sin θ L θ r T mg
  • Verticale (nessuna accelerazione): $T\cos\theta = mg$.

  • Radiale: $T\sin\theta = \dfrac{mv^2}{r}$.

Dividendo: $\tan\theta = \dfrac{v^2}{g r}$, cioè $v = \sqrt{g\,r\tan\theta}$. Il periodo di rotazione è $T_{rot} = \dfrac{2\pi r}{v}$. La tensione del filo si indica con $\vec F_T$ per non confonderla con il periodo.

Esercitati★★★Da iniziare
Un pendolo conico è formato da una massa $m = 0,50\ \text{kg}$ appesa a un filo lungo $L = 1,2\ \text{m}$ che descrive una circonferenza orizzontale con il filo…

Un pendolo conico è formato da una massa $m = 0,50\ \text{kg}$ appesa a un filo lungo $L = 1,2\ \text{m}$ che descrive una circonferenza orizzontale con il filo inclinato di $\theta = 30°$ rispetto alla verticale. Usa $g = 9,8\ \text{m/s}^2$.

  1. a) Scrivi le equazioni della dinamica lungo le direzioni verticale e radiale.
  2. b) Calcola la tensione del filo.
  3. c) Calcola la velocità della massa e il periodo di rotazione.
Risolvi

In sintesi

  • Moto circolare uniforme: $\omega = 2\pi/T$, $v = \omega r$; la velocità cambia direzione, quindi c'è accelerazione.

  • Accelerazione centripeta $a_c = v^2/r = \omega^2 r$; forza centripeta $F_c = mv^2/r$, verso il centro.

  • La forza centripeta è la risultante delle forze reali verso il centro (tensione, attrito, reazione vincolare, peso): non va disegnata a parte.

  • Curva piana: $v_{max} = \sqrt{\mu_s g r}$; curva sopraelevata: $v = \sqrt{g r\tan\theta}$.

  • Cerchio verticale: alto $T + mg = mv^2/r$, basso $T - mg = mv^2/r$; velocità minima in alto $\sqrt{gr}$. Pendolo conico: $\tan\theta = v^2/(gr)$.

Vuoi tornare al punto di partenza? La sensazione di essere spinti verso l'esterno in curva è l'inerzia del corpo, che tenderebbe a proseguire dritto; la forza che ti mantiene in curva è l'attrito (o la reazione vincolare) diretto verso il centro.

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