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Momento di una forza Nella figura 1

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Momento di una forza Nella figura 1
Momento di una forza
Nella figura 1 è illustrato come forze uguali e contrarie possono non produrre equilibrio,
bensı̀ una tendenza a ruotare quando vengono applicate in punti diversi di un corpo
esteso.
Figura 1:
Si consideri l’altalena a bilico della figura. La tendenza a ruotare, ad esempio, in
senso antiorario, cresce non solo col il peso della persona a sinistra, ma anche con la
sua distanza dal fulcro. Per spiegare questo fatto, definiamo il momento di una forza
come
τ = dF
(1)
cioé come il prodotto della distanza tra la retta di applicazione della forza e l’asse di
rotazione (braccio della forza) per la forza stessa. Il momento di una forza è la tendenza
di una forza a provocare rotazione. Il momento di una forza è identico, ovunque venga
applicata la forza lungo la retta di applicazione, come mostrato in figura 2.
Il momento di una forza può essere espresso in funzione della distanza r tra il punto
di applicazione della forza e l’asse di rotazione come
τ = F r sin θ
dove θ è l’angolo compreso tra ~r e F~ .
(2)
2
Figura 2:
Si osservi che im momento di una forza dipende dall’asse di rotazione: la stessa forza
può esercitare differenti momenti rispetto a differenti assi di rotazione.
Osservando l’equazione 2 da un punto di vista matematico, riconosciamo che il
secondo membro è il modulo del prodotto vettoriale ~r × F~ . Ciò suggerisce di introdurre
una definizione più generale di momento di una forza come
~τ = ~r × F~
(3)
In questa definizione, il momento di una forza è una grandezza vettoriale e può essere
rappresentato mediante un vettore.
Il modulo di questo vettore è il modulo del momento di una forza definito poc’anzi.
Quindi, dobbiamo spiegare se ha senso fisico definire un vettore di tale direzione e verso.
La direzione del vettore ~τ è normale al piano di ~r e F~ , ossia coincide con la direzione
3
dell’asse di rotazione. Quindi, la direzione ha un significato fisico reale attinente alla
rotazione che il momento stesso provoca. Inoltre, la direzione dell’asse di rotazione può
essere qualsiasi, ed ha quindi senso rappresentarla con un vettore che può assumere
qualsiasi direzione nello spazio. Per quanto riguarda il verso, possiamo notare che in
una rotazione antioraria, come quella rappresentata in figura 3, il momento di una
forza ha verso positivo verso l’alto (secondo la regola della mano destra del prodotto
vettoriale), ovvero ha lo stesso verso del vettore veloctià angolare della rotazione.
Figura 3:
Quindi, il risultato del prodotto vettoriale definto dalla 3 definisce bene il momento
di una forza in quanto il suo modulo rappresenta il modulo del momento, la sua direzione è direzione nello spazio dell’asse di rotazione e il suo verso coincide con il verso
della veloctà angolare del moto rotazionale generato dall’applicazione della forza che
genera quel momento.
Il momento di una forza e il momento della quantità di moto
Ora che abbiamo definito concettualmente il momento di una forza, vediamo cos’altro possiamo ricavare dalla sua definizione.
~τ = ~r × F~
(4)
4
Ricordiamo che la forza F~ può essere definita come (seconda legge di Newton)
~
dQ
F~ =
dt
(5)
Sostituendo quest’ultima nella 4
~τ = ~r ×
~
dQ
dt
(6)
Poiché
~
d
~ = d~r × Q
~ + ~r × dQ
(~r × Q)
dt
dt
dt
(7)
per la regola di derivazione del prodotto applicata ai vettori, si ha
~
dQ
d
~ − d~r × Q
~
= (~r × Q)
dt
dt
dt
(8)
Il secondo termine a secondo membro è nullo poiché la derivata di ~r è ~v (vettore
~ Quindi
velocità), che a sua volta è parallelo a Q.
~
dQ
d
~
= (~r × Q)
dt
dt
(9)
ovvero
~τ =
d
~
(~r × Q)
dt
(10)
Definendo la quantità tra parentesi a secondo membro come momento della quantità
di moto o momento angolare
~
P~ = ~r × Q
(11)
si ha
~τ =
dP~
dt
(12)
Si noti che questa espressione è l’analogo rotazionale della seconda legge di Newton per
i moti lineari
~
dQ
F~ =
dt
(13)
5
Leggi fondamentali
Dato un sistema di n punti materiali, per ciascun punto i possiamo scrivere l’equazione che formalizza la seconda legge di Newton
d~qi
f~i =
dt
(14)
d~pi
dt
(15)
e l’equazione del momento angolare
~τi =
Ma le forze che agiscono su un punto i e i momenti delle forze, saranno in generale
esercitate da agenti esterni (forze esterne f (e) ) ed agenti interni (forze interne f (i) ) e
quindi le ultime due equazioni possono essere riscritte come
d~qi
(e)
(i)
f~i + f~i =
dt
(16)
d~pi
dt
(17)
e
(e)
~τi
(i)
+ ~τi =
Sommando su tutti i punti n che compongono il sistema si ha
~
dQ
F~ (e) + F~ (i) =
dt
(18)
e
~τ (e) + ~τ (i) =
dP~
dt
(19)
dove F~ (e) è la risultante di tutte le forze esterne che agiscono sul sistema, F~ (i) è la
risultante di tutte le forze interne che agiscono sul sistema, ~τ (e) è la risultante di tutti
i momenti delle forze esterne che agiscono sul sistema e ~τ (i) è la risultante di tutti i
momenti delle forze interne che agiscono sul sistema.
Per il principio di azione e reazione la risultante delle forze interne un sistema è
6
nulla. Inoltre, è nulla anche la risulatante dei momenti delle forze interne, poiché queste
forze agiscono lungo la congiungente i due punti e perciò hanno momento nullo. Quindi
le equazioni 20 e 21 possono essere riscritte come
~
dQ
F~ (e) =
dt
(20)
dP~
dt
(21)
e
~τ (e) =
e vengono dette equazioni cardinali della dinamica dei sistemi.
Conservazione del momento angolare
Come nel caso della quantità di moto, si presentano numerose circostanze in cui il
momento della quantità di moto si conserva.
Se la risultante dei momenti delle forze esterne applicate su un sitema è nulla o si
elide si ha:
~τ (e) =
dP~ ~
=0
dt
(22)
che implica
P~ = cost
(23)
Momento di inerzia
Figura 4:
Consideriamo un corpo rigido rotante attorno ad un asse fisso, che assumiamo
7
come asse z, con velocità angolare ω (figura 4). Un punto materiale mi , situato ad
una distanza ri dall’asse z e rotante con velocità vi attorno ad esso, ha un momento
angolare, rispetto ad un punto dell’asse,
pi = mi ri vi
(24)
(abbiamo potuto eliminare il prodotto vettoriale perché in questo caso ri e vi sono
perpendicolari). Poiché vi = ωri possiamo scrivere
pi = mi ri2 ω
(25)
Sommando su tutti i punti materiali che costituiscono il corpo, troviamo il momento
angolare del corpo rispetto all’asse di rotazione
P =
Il coefficiente
P
X
mi ri2 ω
(26)
mi ri2 che moltiplica la velocità angolare ω (uguale per tutti i punti)
viene denotato con il simbolo I:
I=
X
mi ri2
(27)
e quindi
P = Iω
(28)
che è l’analogo rotazionale della relazione q = mv.
Applicando la legge τ =
dP
dt
alla rotazione attorno all’asse z, otteniamo
M=
dove α =
dω
dt
dIω
= Iα
dt
(29)
è l’accelerazione angolare attorno all’asse z.
Teorema di Huygens-Steiner
Il momento di inerzia IP di un corpo rispetto ad un asse passante per un punto
8
Figura 5:
qualunque P è dato dalla somma del momento di inerzia IC del corpo rispetto all’asse
passante per il centro di massa e il prodotto della massa m del corpo per il quadrato
della distanza r2 tra i due assi di rotazione (i due assi devono essere paralleli, in figura
5 perpendicolari al piano del foglio):
IP = IC + mr2
(30)
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