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Ciò che di solito si trascura nello studio dell`oscillatore

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Ciò che di solito si trascura nello studio dell`oscillatore
Ciò che di solito si trascura nello studio
dell’oscillatore “massa-molla”
Paolo Peranzoni*, Giacomo Torzo+
*Liceo Cornaro, Padova
+ICIS-CNR, INFM-PD, Dip. Fisica, Universià di Padova
Riassunto
Si discutono alcuni aspetti spesso trascurati nello studio sperimentale del pendolo elastico
(oscillatore verticale massa-molla), per mostrare come si possa utilizzare questo esperimento nella
didattica, traendo vantaggio dalla analisi accurata dei dati sperimentali offerti da sistemi RTL per
stimolare gli studenti ad una indagine più approfondita dei fenomeni osservati.
1. Introduzione
L'esperimento del pendolo elastico è tra i più frequentemente utilizzati sia nel laboratorio didattico
tradizionale che nel laboratorio che si avvale di acquisizione dati in tempo reale (RTL). Tuttavia
raramente l'insegnante si addentra nella analisi di questo sistema per mettere in luce tutti gli aspetti
che possono essere sfruttati nell'insegnamento della dinamica.
In questo lavoro ci proponiamo offrire alcune considerazioni che riteniamo possano risultare utili
nella didattica della fisica a livello di scuola secondaria e probabilmente anche ai primi livelli
dell'insegnamento universitario.
Consideriamo un sistema costituito da una molla, di massa m e costante elastica k, sospesa in alto ad
un supporto fisso e con una massa M appesa alla estremità inferiore della molla.
Mettiamo in oscillazione verticale il sistema e lo studiamo sperimentalmente con un apparato RTL
che utilizza un sensore per registrare la posizione della massa in funzione del tempo (sonar) e un
sensore per misurare la forza trasmessa dall’estremo superiore della molla (dinamometro).
L'analisi usuale1 evidenzia i grafici di posizione, velocità, accelerazione e forza verso il tempo, per
mostrare l'andamento sinusoidale e ricavare il periodo (che si mostra essere indipendente
dall'ampiezza) e per analizzare le relazioni di fase tra le quattro grandezze, e i grafici di
accelerazione in funzione dello spostamento (dalla cui pendenza si ricava la pulsazione), di forza in
funzione dello spostamento (da cui si ricava la costante elastica) e di forza in funzione
dell'accelerazione (da cui si ricava la massa inerziale). Spesso si invitano gli studenti a costruire con
i dati acquisiti valori per grandezze derivate (energia potenziale e cinetica) per mostrare la
conservazione dell'energia e la trasformazione durante il moto di energia potenziale in cinetica e
viceversa.
Tuttavia una analisi accurata dei dati pone alcuni problemi non banali:
come tener conto della massa m della molla?
Il valore misurato della massa inerziale (dedotto dall’equazione F=Ma) deve coincidere con il
valore della massa gravitazionale (ottenuto attraverso il peso misurato Mg)?
come valutare correttamente l’energia totale del sistema? (è necessario tener conto della energia
potenziale nel campo gravitazionale o l'analisi energetica può esser fatta anche diversamente?)
perché l'energia totale calcolata oscilla, sembrando violare la legge di conservazione?
se c’è smorzamento, in che modo si manifesta? (che effetto ha sul periodo, e sull'andamento
dell'energia totale?)
1
Si veda ad esempio : B. Pecori, G. Torzo, G. Pezzi, O. Foà, A. Rambelli, M. Rafanelli, M.R. Rizzo, "L'utilisation
d'acquisitions avec des installations portables dans l'enseignement de la physique" Bulletin de Physicien 12 (2001);
G.Torzo, G. Delfitto and B.Pecori: "Harmonic and anharmonic oscillations studied with CBL and Graphic Calculators",
Workshop for the XXX International Physics Olympiad, Padova 19-23 (1999)
1
che forza misura il sensore di forza durante l’oscillazione? (che relazione ha la forza misurata
con quella realmente applicata alla massa oscillante?)
che effetto hanno eventuali oscillazioni torsionali?
Queste sono alcune delle questioni emerse, ove un ruolo centrale riveste la massa della molla, che
non può in genere essere trascurata2.
2. Esempio di risultati sperimentali
In questo lavoro riportiamo, per fissare le idee sul tema, un esempio di dati sperimentali ottenuto
con un sistema RTL portatile (calcolatrice grafica TI89, interfaccia CBL2, sonar Vernier,
dinamometro Vernier), e poi discutiamo il ruolo della massa della molla, come varia la forza
rilevata dal dinamometro e quella sentita dalla massa oscillante, l'effetto del metodo numerico per
ottenere velocità e accelerazione dai dati di spostamento, modi diversi di calcolare l'energia totale,
l'effetto di errori (offset) nella misura della posizione di equilibrio, nella taratura e nell’azzeramento
del sensore di forza, effetto dello smorzamento, effetto della massa idrodinamica, e infine possibile
errore sulla stima della massa introdotto dal trascurare la spinta idrostatica nel pesare la massa
oscillante.
Figura 1: Schema di un apparato sperimentale RTL per lo studio di un oscillatore massa-molla.
2
Su questo tema, nel dicembre 200 si è sviluppato un ricco dibattito nella mail_list dell’AIF (Sagredo), che ha
dimostrato come esso appassioni gli insegnanti di fisica italiani.
2
Figura 2: Andamento della forza, della posizione, della velocità e dell’accelerazione in funzione del tempo.
Figura 3: pendenza= costante elastica k
pendenza = -quadrato della pulsazione -ω2
3. La massa della molla
Cominciamo con l’affrontare la prima questione: come tener conto della massa m della molla?
Il problema è discusso, ad esempio, nell’articolo di Lawrence Ruby Equivalent Mass of a Coil
Spring3; l’autore fornisce due metodi di calcolo per arrivare al risultato: che la massa equivalente
dell’oscillatore (ossia quella da inserire nelle formule che legano massa, costante elastica e periodo)
è pari a M+m/3.
Tale risultato si riferisce però alla massa inerziale equivalente quella utilizzata nel calcolo
dell’energia cinetica (ossia quella che determina il periodo del moto), non alla massa gravitazionale
equivalente utilizzata nel calcolo dell’energia potenziale: quest’ultima è valutabile invece come
M+m/2 (vedi Appendice 1).
In entrambi i casi, inoltre, si assume l’ipotesi dell’allungamento uniforme della molla (e
conseguentemente dell’assenza di onde o impulsi che si propaghino lungo essa); questa ipotesi è
realistica solo per molle sufficientemente “dure4. L’autore citato, per molle "morbide", propone un
modello che quantifica la massa aggiuntiva come compresa fra m/3 e m/2.
Nei concreti problemi sperimentali dei sistemi massa-molla si utilizzano in genere molle
sufficientemente dure, e per questa ragione anche qui assumeremo di poter considerare
l’allungamento sostanzialmente uniforme; tuttavia un allungamento non uniforme va almeno
analizzato con un modello matematico, perché, anche se gli effetti sui dati sperimentali nei casi
3
Lawrence Ruby, The Physics Teacher, 38, 140 (2000).
Tale ipotesi non è vera ad esempio con le molle tipo slinky, che, appese verticalmente senza carico, mostrano con
evidenza una separazione tra le spire adiacenti che cresce dal basso verso l’alto.
4
3
comuni non sono apprezzabili, l'applicazione della legge di Newton al sistema può indurre lo
studente a conclusioni paradossali se egli assume l'ipotesi di un allungamento rigorosamente
uniforme insieme all'ipotesi di molla dotata di massa piccola ma non nulla.
4. Il dinamometro: che forza misura?
La costante elastica della molla viene comunemente calcolata, in esperimenti condotti con sistemi
RTL, come rapporto tra la forza misurata dal dinamometro cui è appesa la molla e lo spostamento
corrispondente della massa appesa alla molla (misurato da un sensore di distanza).
Ma la forza così misurata non è quella realmente applicata alla massa oscillante.
Il dinamometro misura la forza complessiva F=(M+m)g esercitata dal sistema massa-molla
all'estremità superiore della molla, mentre all’altra estremità della molla agisce solo la forza F=Mg.
In altri termini: se noi disponessimo due dinamometri uno sopra alla molla e uno (di massa nulla)
sotto, avremmo misure diverse per i due strumenti. Ma allora quale delle due misure va presa in
considerazione ai fini del calcolo della costante elastica k ?
A questa domanda si potrebbe rispondere sbrigativamente che basta misurare due forze F diverse
applicate all’estremo inferiore della molla e i relativi allungamenti ∆L, e poi ricavare k come
pendenza del grafico F(∆L), ma ci è sembrato utile invece offrire una analisi più dettagliata del
problema per dare una giustificazione più analitica a tale risposta empirica, che è sostanzialmente
corretta. Anche perché la situazione, relativamente semplice in condizioni statiche, diventa meno
intuitivamente analizzabile in condizioni dinamiche.
Il dinamometro superiore misura la forza F=(M+m)g, mentre quello inferiore dovrebbe misurare
F=Mg ; di quanto si allunga la molla in queste condizioni?
La nostra molla ha complessivamente N spire; consideriamo un elemento infinitesimo di molla
contenente dn spire, posto in corrispondenza dell’n-esima spira partendo dal basso. Pensiamo cioè
la molla come composta di N/dn elementi in serie di costante elastica k'. La costante elastica di
ciascun elemento sarà (tenuto conto delle relazioni per molle in serie):
k ′ = k ( N / dn )
La massa m’ della molla sottostante tale elemento sarà invece la somma di n masse di una spira
(m/N):
m' = n ( m / N )
Pertanto, la forza che tira in basso l’elemento di molla è:
F ′ = g( M + mn / N )
5
Il suo allungamento sarà quindi:
F ' g( M + mn / N )
MN + mn
d (∆l) = =
=g
dn
k'
kN / dn
kN 2
Integrando su tutta la molla si ottiene:
N
N
N
g
g 
N 2  g( M + m / 2)
2
∆l = ∫ 0 d (∆l) =
MN
dn
+
m
ndn
=
MN
+
m
=

∫
∫
0
0
kN 2
kN 2 
k
2 
L’allungamento totale della molla corrisponde dunque ad una forza di trazione pari a g(M+m/2),
media aritmetica tra le forze misurate dai due dinamometri.
Ove non si possa trascurare m rispetto a M si dedurrebbe quindi che la costante elastica calcolata
utilizzando una sola coppia di valori misurati (la forza peso applicata al dinamometro dalle due
masse, e l'allungamento della molla ∆l) come k=(M+m)g/∆l sarebbe errata per eccesso della
quantità ∆k/k=m/(2M+m).
[
]
5
Si vede qui che l’allungamento non può essere uniforme: esso cresce (a partire dal basso) linermente al crescere del
numero n di spire prese in considerazione. L'allungamento rigorosamente uniforme in presenza di campo gravitazionale
è incompatibile con l'ipotesi che la molla abbia massa non trascurabile e costante elastica finita.
4
Tale errore trarrebbe origine dal fatto che il dinamometro misura la forza totale, mentre ciascun
elemento della molla subisce una trazione che cresce (dal basso verso l'alto) per effetto del peso dei
singoli elementi di molla (con allungamento conseguentemente non uniforme).
Ma basta pensare al caso limite M=0, (cui corrisponde l’allungamento ∆l=gm/2k della molla
rispetto alla lunghezza della molla a riposo in orizzontale, per effetto del suo peso) per capire che
tale errore viene cancellato se l'allungamento ∆l (dovuto alla applicazione della sola forza Mg)
viene misurato rispetto alla lunghezza della molla a riposo in posizione verticale.
In altri termini, come già si è detto, per calcolare la costante elastica è conveniente misurarne le
variazioni di lunghezza per effetto della variazionedella forza applicata.
5. L’energia potenziale
Per quanto riguarda il calcolo dell’energia totale del sistema, si possono fare alcune osservazioni.
Le tre forme di energia coinvolte (cinetica, potenziale gravitazionale e potenziale elastica) possono
essere ridotte formalmente a due sole (eliminando dal gioco la gravitazionale) purché si sostituisca
la lunghezza a riposo della molla con quella all’equilibrio, tenendo conto del fatto che l’energia
potenziale è definita a meno di una costante additiva arbitraria.
In questo modo l’oscillatore massa-molla verticale diventa equivalente a quello dell’oscillatore
massa-molla orizzontale, (meno facile da realizzare sperimentalmente a causa degli inevitabili
attriti).
Una dimostrazione può essere la seguente:
L’energia potenziale U(x) di un corpo in un campo di forze F(x) è una funzione della sola posizione
x del corpo, e si calcola come opposto del lavoro L(x, xo) compiuto dalle forze in uno spostamento
da una posizione di riferimento xo ad un’altra generica x.
U(x) è quindi definita a meno di una costante additiva, che dipende dalla scelta del riferimento.
Possiamo quindi scrivere U(x)= – L(x, xo).
Nel caso dell’oscillatore massa-molla verticale, trascurando per il momento la massa della molla, se
scegliamo un sistema di riferimento verticale x diretto verso il basso, con origine qualsiasi, la forza
elastica Fe=–k(l–lo) (ove l è la lunghezza della molla per una posizione generica della massa e lo la
sua lunghezza a riposo), assume l’espressione Fe=–k(x–x0), ove x 0 è la coordinata che individua
l’estremo inferiore della molla scarica. Nel medesimo sistema di riferimento la forza peso assume la
forma Fp=Mg. La forza risultante è F= Mg +k x0 –kx.
Il lavoro compiuto dalla forza risultante, a partire dalla posizione in cui la molla è scarica (x=x0) è:
L( x1 , x0 ) =
∫ xo F ( x ) dx = ∫ xo ( Mg + kx0 − kx ) dx = ( Mg + kx0 )( x1 − x0 ) − ( k / 2)( x12 − x02 )
x1
x1
e l’energia potenziale riferita alla posizione in cui la molla è scarica assume l’espressione
U ( x ) = −L( x , x0 ) = − Mg ( x − x0 ) + ( k / 2 )( x − x0 )2
Se invece scegliamo come origine dell’asse x proprio la posizione del sistema all’equilibrio, la
forza risultante deve essere nulla per x=0, ovvero Mg =–k x0 , e l’espressione della forza risultante
per una posizione generica si semplifica in F=–kx, ove il contributo del campo gravitazionale non
compare più.
U ( x ) = −L( x , 0 ) = +( k / 2 ) x 2
Questa relazione è identica a quella che si otterrebbe per la sola energia potenziale elastica per una
molla con lo stesso valore di k e che fosse a riposo con l’estremità inferiore nella posizione x0,
esattamente la stessa relazione che otterremmo per un sistema massa-molla oscillante senza attrito
su un piano orizzontale, ove la forza di gravità è perfettamente bilanciata dalla reazione vincolare e
quindi non compie lavoro.
Una trattazione alternativa è la seguente:
5
L’energia potenziale totale del sistema oscillante è la somma dell’energia potenziale elastica della
molla con quella gravitazionale della massa:
2
U = U e + U g = (1 / 2) k (∆x ) − Mg∆x
Detta l0 la lunghezza della molla scarica e l1 la sua lunghezza di equilibrio quando viene appesa la
massa M, ed l la sua lunghezza generica, risulta k(l1–l0)=Mg. Si ha poi, ovviamente, ∆x=l–l0;
definiamo analogamente ∆x’=l–l1 lo spostamento a partire dalla posizione di equilibrio. Si ha
∆x’=∆x–(l1–l0) = ∆x–Mg/k e, inversamente, ∆x=∆x’+Mg/k; l’energia potenziale totale diventa allora:
1
2
U = k (∆x ′ + Mg / k ) − Mg(∆x ′ + Mg / k ) = (1 / 2) k∆x ′2 − (1 / 2) M 2 g 2 / k
2
che, a meno della costante additiva M 2 g 2 / 2 k , coincide con la sola energia elastica calcolata a
(
)
partire dalla posizione di equilibrio (anziché di molla scarica).
Se consideriamo anche la massa della molla, avremo (vedi Appendice 1):
2
U = U e + U g = (1 / 2) k (∆x ) − ( M + m / 2) g∆x
È chiaro che può essere ripetuto il ragionamento precedente, sostituendo M’=M+m/2 ad M: l’unico
cambiamento è il valore (inessenziale) della costante additiva.
Il problema può essere analizzato anche graficamente, osservando che in un grafico della forza F(x)
verso lo spostamento x l’area sottesa da F(x) è il lavoro compiuto dalla forza (nell’ipotesi che forza
e spostamento abbiano la stessa direzione o che si consideri la componente della forza nella
direzione dello spostamento). Aree al di sopra dell’asse x hanno segno positivo, aree al di sotto
hanno segno negativo.
a
b
c
Figura 4: rappresentazione grafica del lavoro in funzione dello spostamento
Sia in (a) che in (b) il sistema di riferimento per lo spostamento x ha origine nella posizione che la
massa ha con la molla scarica.
Nella figura (a) si considerano separatamente il lavoro compiuto dalla forza peso Fp (area grigia) e
quello compiuto dalla forza elastica Fe (area tratteggiata). Nella figura (b) si considera il lavoro
compiuto dalla forza risultante F=Mg-kx.
Nella figura (c) si assume come origine la posizione di equilibrio della massa appesa, e l’area
tratteggiata rappresenta il lavoro compiuto dalla forza risultante: si vede subito che essa coincide
con quella ottenuta nel precedente sistema di riferimento.
Questa analisi consente di usare una procedura assai semplice per calcolare l’energia potenziale
quando si disponga di valori sincroni di forza applicata Fi alla massa e di spostamento xi dalla
posizione di equilibrio. In questo caso non serve conoscere la costante elastica k, basta calcolare i
prodotti –Fixi/2=kxi2/2, che misurano direttamente, punto per punto l’energia potenziale.
6. L'energia totale: oscillazioni nel grafico in funzione del tempo
Il calcolo dell’energia totale, a partire dai valori misurati di posizione, velocità e di forza in funzione
del tempo, richiede anche la conoscenza della massa inerziale in movimento.
6
E’ evidente che l’introduzione di un valore non corretto per la lunghezza della molla scarica (o,
equivalentemente della posizione della massa all’equilibrio), ovvero per la massa inerziale (in
particolare la correzione per la massa della molla, ma anche eventuali effetti dovuti alla massa
idrodinamica o alla spinta idrostatica) provocano la comparsa di un termine periodico nell’energia
totale, che dovrebbe invece essere costante.
Nel caso si calcoli l’energia potenziale usando i valori misurati di forza e spostamento –Fixi/2
(invece che i valori di spostamento e il valore calcolato della costante elastica kxi2/2) anche una
imprecisa taratura o un impreciso azzeramento all’equilibrio del sensore di forza possono
contribuire a crescere il termine oscillante (a frequenza doppia rispetto alla frequenza propria del
pendolo elastico), come spiegato più in dettaglio nell’Appendice 2.
C’è infine anche un altro elemento da tenere in considerazione: il modo in cui viene calcolata la
velocità, a partire dai dati di posizione. I vari software di acquisizione dati calcolano in genere la
velocità del moto dividendo lo spostamento per l’intervallo di tempo; per ragioni di simmetria lo
spostamento viene calcolato dall’istante (misurazione) precedente a quello successivo rispetto
all’attuale (o da due prima a due dopo, e così via). Tale metodo provoca un certo
“ammorbidimento” (smoothing) dei dati sperimentali, che ne diminuisce la “rumorosità” ma rischia
anche di introdurre qualche errore sistematico; nell’Appendice 2 si dimostra che, per fenomeni di
tipo sinusoidale, il metodo suddetto porta ad una sottostima della velocità e quindi dell’energia
cinetica.
Ma torniamo al problema della determinazione accurata della massa inerziale M’, che compare nel
termine cinetico dell’energia totale come (1/2)M’v2. Si è già detto che è importante tener conto
della massa della molla (M’=M+m/3), ma questo non basta: se utilizziamo per M il valore ottenuto
da una pesata con una comune bilancia commettiamo ancora un errore in difetto. La bilancia infatti
ci fornisce il valore della forza peso (in unità di massa), ma tale strumento non può determinare
quale sia il volume del corpo pesato e di conseguenza non può effettuare la correzione dovuta alla
spinta idrostatica dell’aria. Per fare tale correzione occorre misurare il volume V della massa M e
poi aggiungere al valore fornito dalla bilanìcia il termine correttivo ρV, portando il valore della
massa inerziale a M’= M+m/3+ρV.
Ma anche questo, ad essere pignoli, non basta ancora: si deve tener conto anche della massa
idrodinamica, cioè l'aumento della massa inerziale di un oggetto in moto in un fluido, dovuto al
fatto che esso, per muoversi deve "spostare" del fluido, e quindi il fluido così accelerato fa sentire la
propria inerzia.
Il calcolo di questo contributo non è agevole nella maggior parte dei casi: esso dipende in modo
importante dalla forma della massa in moto, ma in compenso di tratta (come per la spinta
idrostatica) di un termine che è praticamente sempre trascurabile eccetto che nei casi in cui la massa
oscillante abbia una densità media molto bassa. Per dare una idea grossolana: nel caso di una massa
M di forma sferica la massa idrodinamica è il 50% del volume dell’aria spostata (cioè della
correzione imposta alla massa inerziale dall’effetto della spinta idrostatica), ma nel caso di una
massa a forma di disco che si muova lungo l’asse è assai maggiore.
Solo un pendolo elastico che oscilli nel vuoto non è affetto dal contributo inerziale dovuto alla
massa idrodinamica. E tale effetto si fa sentire (come l’errata determinazione di M ottenuta con una
bilancia) non solo in inaspettate oscillazioni dell’energia totale calcolata, ma anche nel valore
misurato della frequenza di oscillazione ω=√k/M’, o equivalentemente nel periodo T=2π/ω.
7
Posto che l’energia totale dell’oscillatore (come spiegato in Appendice 1) si possa esprimere
semplicemente come somma dell’energia elastica e cinetica
1
1
E = M ′v2 + k x2
2
2
imponendo la condizione che la derivata temporale dell’energia sia nulla, si ottiene l’equazione
differenziale del moto:
∂2 x
∂E
M ′ a = M ′ 2 = −k x
= 0 = M ′ v a + k x v , ovvero
∂t
∂t
Risolvendo l’equazione si trova che il sistema si muove di moto armonico con pulsazione data da:
k
k
ω2 =
=
M′ M + m /3
Tuttavia ogni pendolo elastico reale, dopo un numero più o meno elevato di oscillazioni, si ferma:
ciò significa che l’oscillazione è smorzata e che l’energia non si conserva.
Se l’equazione del moto include un termine di smorzamento (ad esempio proporzionale alla
velocità)
d 2x
dx
M 2 + b + kx = 0
dt
dt
allora la soluzione è
k
b2
−
M 4M 2
ove γ=b/2M è il coefficiente di smorzamento della ampiezza di oscillazione.
E’ facile dimostrare che questo effetto è molto piccolo (e per questo spesso esso viene trascurato
senza nemmeno stimarne il valore) anche nel caso di evidente smorzamento: per un oscillatore con
periodo di circa 1 secondo in cui sia γ=0.1, (ovvero in cui l’ampiezza si riduca ad 1/e della
ampiezza iniziale in 10 secondi, cioè in 10 periodi) la variazione relativa di frequenza è solo
∆ω/ω=1- ω’/ω , pari a circa (1/2)(γ/ω)2 ovvero circa 0.01% !
x = Ae−γ t cos(ω′t + φ) , con ω′ = ω20 − γ2 =
8. Moti torsionali: il pendolo elastico di Wilberforce
In generale un generico pendolo elastico può essere “eccitato” sia a compiere oscillazioni verticali
che oscillazioni torsionali. Tuttavia normalmente quando si lanciano oscillazioni verticali le
conseguenti oscillazioni torsionali che inevitabilmente si sviluppano non riescono a catturare una
parte importante dell’energia complessiva del sistema.
Solo nel caso in cui il rapporto β/I tra costante elastica torsionale della molla β e momento di
inerzia I rispetto all’asse verticale sia uguale al rapporto k/M’ si verifica un notevole accoppiamento
risonante tra i due modi di oscillazione: si tratta in questo caso del particolare pendolo che prende il
nome da Robert Wilberforce, che per primo ne mise in evidenza le interessanti proprietà6.
In tal caso infatti l’energia immagazzinata nella oscillazione verticale viene gradualmente trasferita
in oscillazione torsionale (fino a che il baricentro del sistema risulta praticamente fermo) e poi
nuovamente trasferita in oscillazione verticale, offrendo ad uno spettatore lontano, che non
percepisca le torsioni, l’impressione che l’energia scompaia e riappaia come per magia.
6
R. L.Wilberforce, On the vibrations of a loaded spring, Philos. Mag. 38, 386 (1894). Per una trattazione recente del
sistema si veda anche R. Berg, T. Marshall, Am.J. Phys. 59, 32 (1991), e E. Debowska, S.Jakubowitz, Z.Mazur, Eur. J.
Phys, 20, 89 (1999)
8
Responsabile dell’accoppiamento tra modi di oscillazione verticale e torsionale è la proprietà della
molla elicoidale che, sottoposta a trazione tende a “svolgere” la spirale, e sottoposta a compressione
tende a riavvolgerla.
Perché tale fenomeno si verifichi è tuttavia anche necessario che la molla sia attaccata rigidamente
sia alla estremità superiore al punto fisso, sia alla estremità inferiore alla massa oscillante.
9. Conclusioni
Da quanto esposto in questo articolo appare evidente come un problema apparentemente semplice
quale quello del pendolo elastico nasconda in realtà complicazioni a prima vista inaspettate.
Si potrebbe obiettare che il livello delle considerazioni svolte mal si presta ad una applicazione
didattica, per lo meno nella scuola media superiore; ciò è vero solo in parte: se infatti vogliamo
realizzare con gli studenti misure sul sistema massa molla utilizzando sistemi di acquisizione in
tempo reale, e se vogliamo sviluppare anche l’analisi energetica, ci imbattiamo quasi sicuramente in
difficoltà che non possiamo semplicemente liquidare come “errori di misura”.
Quanto meno, dobbiamo cercare di capire da dove provengano questi errori e come possiamo
valutarli e minimizzarli; sarebbe scorretto far passare un termine oscillante nell’energia totale come
dovuto a “rumore” dell’apparecchiatura: gli studenti capirebbero che si tratta, caso mai, di un
“suono”…
Una cosa che si può fare senza difficoltà è mostrare, attraverso un foglio elettronico (anche quello
molto semplice di Data/MatrixEditor), l’influenza notevole che un errore nella determinazione della
massa del sistema e della posizione di equilibrio hanno sull’andamento dell’energia totale, cercando
poi (anche per tentativi) di minimizzarne gli effetti indesiderati.
Parimenti è possibile far riflettere gli studenti sui limiti e i potenziali pericoli di un calcolo numerico
della velocità e dell’accelerazione, sia per l’amplificazione del rumore che questi metodi
comportano sia per gli errori sistematici connessi, come mostrato nell’Appendice 3.
Ciò potrebbe costituire, per gli allievi, una motivazione ad utilizzare metodi di interpolazione non
solo lineare.
Appendice 1: la massa inerziale della molla.
Supponiamo che la molla si allunghi in maniera quasi uniforme durante l’oscillazione; questa
ipotesi è realistica se la molla è abbastanza dura e leggera, circostanza in genere verificata per le
molle che si usano in laboratorio a questo scopo. Inoltre dovremo supporre che lungo la molla non
si propaghino onde o impulsi; anche questa ipotesi sembra abbastanza realistica nelle condizioni
sperimentali ordinarie, in cui M>>m e quindi eventuali impulsi si smorzano in tempi brevi rispetto
al periodo di oscillazione della massa M.
Calcoliamo innanzitutto l’energia cinetica della molla in movimento; ogni elemento di massa dm
della molla si muove con velocità v x proporzionale alla distanza x dall’estremo superiore:
v x = v M ( x / L) , essendo vM la velocità della massa M sospesa ed L la lunghezza totale della molla (in
un dato istante); si ha inoltre dm = ( m / L) dx . Detta perciò Km l’energia cinetica della molla, si avrà:
L
2
2  3
2
L 2
mvM
mvM
x
mvM
L3 1 m 2
1 L 2
1 L 2 x2 m


Km = ∫0 vx dm = ∫0 vM 2 dx = 3 ∫0 x dx = 3
vM
=
=
2
2
L L
2L
2 L  3 0
2 L3 3 2 3
L’energia cinetica della molla è pertanto all’incirca quella di una massa m/3 che si muova con la
stessa velocità della massa sospesa.
La sua energia potenziale gravitazionale Um (scegliendo come livello zero il punto di sospensione
della molla) è invece:
9
U m = − ∫0 xg dm = − ∫0
L
L
m
gm
xg dx = −
L
L
∫0
L
L
g m  x 2 
g m L2
L
xdx = −
=−
= −m g
L  2 
L 2
2
0
ove L è ora la lunghezza generica della molla (anche non a riposo). Si poteva giungere alla stessa
conclusione osservando che il baricentro della molla si trova circa a metà della sua lunghezza, se
l’allungamento è circa uniforme. L’energia potenziale gravitazionale della molla è dunque pari a
quella di una massa m/2 che si trovi nella stessa posizione della massa sospesa.
Da quanto detto finora risulta che non esiste un solo valore per la “massa equivalente” della molla,
da sostituire nelle equazioni del moto; i valori ottenuti per l’energia cinetica e per quella potenziale,
infatti, sono diversi. La correzione da apportare nel calcolo dell’energia totale è quella dinamica
m/3, dato che il termine gravitazionale può essere fatto sparire dall’espressione dell’energia.
Per essere più precisi, è possibile scrivere l’espressione dell’energia totale del sistema come:

1
m
1
m
E =  M + v 2 + k x 2 −  M + g x
2
3
2
2

oppure, eliminando l’energia potenziale gravitazionale :
1
1
E = M ′v2 + k x2
2
2
dove M'=M+m/3 e le posizioni x della massa oscillante sono misurate a partire dalla posizione di
equilibrio del sistema, anziché dalla posizione di riposo della molla.
Appendice 2: oscillazioni nell’energia totale
Se i valori usati per la massa (nel calcolo dell'energia cinetica), o della costante elastica, o della
forza e dello spostamento dalla posizione di equilibrio (nel calcolo dell'energia potenziale) sono
affetti da errore, il grafico dell'energia totale in funzione del tempo mostra oscillazioni a frequenza
doppia rispetto alla frequenza propria del pendolo elastico
Figura 5:
Ec=energia cinetica (1/2)M’v2
Ep=energia potenziale (1 / 2) kx 2
Vediamo per esempio cosa comporta un errore di azzeramento della variabile x quando l’oscillatore
è in equilibrio. Lo spostamento è descritto da una funzione di tipo sinusoidale x = Asen(ωt). Un
errore nell’azzeramento corrisponde a cambiare tale funzione in x = Asen(ωt) + xo , dove xo può
essere sia positivo che negativo.
L’energia potenziale diventa (1 / 2) k ( Asen (ωt) + x 0 ) 2 . L’energia cinetica (1 / 2) k ( Aω cos(ωt)) 2 non
risente dell’errore di zero, e l’energia totale si può scrivere, (assumendo che k e M non siano affetti
da errore):

 x0 2 
k
M
x0
2
2

( Asenωt + x0 ) +
( Aω cos ωt ) = ET 1 + 2 senωt +   

A
2
2
 A  

Quindi l’energia totale calcolata risulta modulata con pulsazione ω e ampiezza (2xo/A)ET.
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Riportiamo nella figura 6 una simulazione che evidenzia l’effetto di xo sull’energia totale. Per
disegnare le curve abbiamo utilizzato i valori di ω e di k ricavati dalle misure.
Figura 6: A sinistra: andamento in funzione del tempo delle energie potenziale, cinetica (in grassetto), totale (retta);
a destra modulazione introdotta nell’energia totale da un errore xo = 0.5 mm (ampiezza A= 70 mm).
Perché comincino ad essere visibili oscillazioni dell’energia totale è sufficiente un errore
nell’azzeramento del sonar pari a xo = 0.5 mm su un’ampiezza di oscillazione della massa pari a A=
7 cm.
Se anche k ed M sono affette da errore ciò introduce ulteriori oscillazioni sull’energia totale.
Un altro errore viene introdotto nel calcolo della velocità.
Quando si dispone di un insieme di dati della posizione in funzione del tempo, si può approssimare
la velocità calcolando la derivata numerica dello spostamento come rappporto incrementale.
Ad un certo istante ti la velocità è data da ( si +1 − si−1 ) /( ti +1 − ti−1 ) ; questo per ragioni di simmetria
(altrimenti si dovrebbe calcolare la velocità in un istante intermedio fra due istanti sperimentali).
Si può calcolare il rapporto incrementale anche su intervalli più grandi, purché simmetrici: per
esempio dal dato i − 2 al dato i + 2 e così via; l’effetto è quello di ridurre il “rumore” dei dati, ma è
anche quello di peggiorare l’approssimazione della derivata numerica.
Questo si può vedere chiaramente dalla figura 7, in cui sono mostrati i grafici di una velocità
cosinusoidale calcolata in modo esatto e approssimato (derivata numerica) a partire da uno
spostamento sinusoidale.
Figura 7: derivata esatta ed approssimata di uno spostamento cosinusoidale
In particolare si nota che la velocità calcolata col metodo numerico è sistematicamente minore (in
modulo) di quella esatta.
Ciò può essere dimostrato anche con il calcolo trigonometrico; sia x = sen t uno spostamento
sinusoidale nel tempo. Come è noto, la velocità è v = cos t ; ma se calcoliamo la derivata come
rapporto incrementale, avremo:
sen(t + ∆t ) − sen( t − ∆t) sen t cos ∆t + cos t sen∆t − sen t cos ∆t + cos t sen∆t sen ∆t
v=
=
=
cos t
2∆t
2∆t
∆t
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Il rapporto sen ∆t / ∆t è sempre minore (in modulo) di 1 e tende a tale valore, come è noto, per
∆t → 0.
Dunque, per un moto armonico, il calcolo numerico della velocità sottostima questa grandezza (e di
conseguenza l’energia cinetica); l’errore è tanto più grande quanto maggiore è l’intervallo
temporale utilizzato.
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