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Forza Elastica: molla fissata ad un tavolo

Post n°8 pubblicato il 07 Gennaio 2010 da rebel_mc
 

 Una molla di costante elastica k è posta orizzontalmente su di un tavolo liscio, fissata da un lato. All'altro lato della molla è attaccato un corpo di massa m. Il piano del tavolo è ad un'altezza h dal pavimento (vedi figura). Inizialmente la molla è compressa di un tratto Δx e ad un certo istante viene lasciata libera di espandersi. Calcolare la distanza dal tavolo di impatto sul pavimento.

Soluzione.
In questo problema possiamo trascurare l'attrito sul tavolo (liscio) e l'attrito dell'aria, per cui possiamo in una prima fase di svolgimento utilizzare il teorema di conservazione dell'energia meccanica per l'oggetto attaccato alla molla. Sono due gli "istanti" da tenere in considerazione:

punto A (figura) in cui la molla è compressa e l'oggetto vi è attaccato

punto B (figura) in cui la molla si è espansa e l'oggetto si è appena staccato.

Ec(A) + Ep(A) = Ec(B) + EP(B)

Nota: ricordo che l'energia meccanica  (o totale) di un sistema qualsiasi in un punto dello spazio, è data dalla somma dell'energia cinetica e dell'energia potenziale del sistema in quel punto.

L'energia cinetica dell'oggetto nel punto A è chiaramente nulla, essendo esso fermo. Viceversa la molla darà un contributo "massimo" di energia potenziale in A, dato da

Ep (A) = ½ k (Δx)2  

quindi   Ep (A) = ½ k (Δx)2    ,    Ec (A) = 0         (1)

L'energia potenziale dell'oggetto nel punto B sarà nulla (l'oggetto si è appena staccato dalla molla). Viceversa l'energia cinetica dell'oggetto in B sarà "massima" e dobbiamo ricavarla utilizzando comunque la formula generale

Ec = ½ m v2

quindi   Ec (B) = ½ m v2    ,    Ep (B) = 0        (2)

Sommando rispettivamente i contributi in (1) ed in (2) e poi uguagliandoli si ottiene:

½ k (Δx)2 = ½ m v2

eliminando ½ da ambo i membri di questa equazione, dividendo per m ed estraendo radice troviamo

v =  Δx (k/m)                            (*)

v è la velocità dell'oggetto dopo aver abbandonato la molla. Questa velocità sarà mantenuta dall'oggetto fino all'orlo del tavolo (liscio quindi senza attrito). v è in sostanza la velocità con la quale l'oggetto affronta il moto di caduta dal tavolo.
All'istante in cui l'oggetto si trova sull'orlo del tavolo, la sua velocità è parallela al pavimento (orizzontale). Possiamo studiare la traiettoria con le leggi del moto PARABOLICO.
Se fissiamo l'origine degli assi cartesiani ai piedi del tavolo (vedi figura), le quattro equazioni per le coordinate e le componenti della velocità del corpo saranno:

x(t) = v t                    vx(t) = v

y(t) = h - ½ g t2         vy(t) = - g t

Se vogliamo calcolare la distanza di impatto al suolo bisogna trovare prima il "tempo" necessario ad arrivare al suolo, quindi sostituirlo in x(t).
L'unico modo di trovare questo tempo che chiameremo tf è di porre

y(tf)= 0

questa "condizione" è molto importante perchè ci dice che nell'istante in cui l'oggetto tocca il pavimento la sua altezza da terra y(t)  è uguale a zero, inoltre in questo momento l'oggetto ha raggiunto anche la massima distanza dal tavolo x(tf) che è il valore da trovare.

y(tf)= 0  --->     h - ½ g tf 2 = 0   --->      tf = (2h/g)

Come detto prima la distanza dal tavolo (che chiameremo D) si trova inserendo tf nella prima equazione del moto parabolico e utilizzando per la velocità v l'equazione (*)

D =   Δx   (2kh / mg )

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Utente non iscritto alla Community di Libero
carmelo il 30/01/13 alle 18:21 via WEB
Rita sta saltando su un tappeto elastico che è assimilabile a una molla di costante elastica di 22kN/m. Rita ha una massa di 65 kg e salta fino a 3.5m di altezza rispetto alla superficie del tappeto a riposo, di quanto si comprime il tappeto quando rita vi ricade sopraa??? helpppppppppppppppp
 
 
rebel_mc
rebel_mc il 07/02/13 alle 17:47 via WEB
chiamiamo x il grado di compressione della molla, cioè di quanto la molla si comprime rispetto alla posizione di riposo, allora x = radice (2 M g h / k ) = 0,45 metri = 45 cm dove M è la massa di Rita g accelerazione di gravità (arrotondo a 10) h è l'altezza massima raggiunta di 3,5 metri e k e la costante elastica del tappeto.
 
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