Esercizi di Meccanica razionale elaborati dell'ing. Giorgio Bertucelli.
Esercizio
Tre corpi di massa 1,m2,m33 interagiscono l'un l'altro attraverso la forza gravitazionale.
a) Scrivere le equazioni del moto.
b) Il sistema può ruotare nel suo piano con distanze costanti e uguali tra ogni coppia di masse. Determinare la frequenza angolare di rotazione quando le masse sono separate da una distanza d.
c) Per m1~m3 e m2~m3 determinare la condizione di stabilità della massa m3 circa la sua posizione stazionaria. Considerare solo il moto nel piano orbitale.
Soluzione
Assumere il centro di massa C come origine delle coordinate (fig. 1) e identifichiamo le distanze r con notazione vettoriale
Quesito a.
Il moto di ogni particella è dato da:
ovvero
Il segno meno indica che le forze sono attrattive.
Quesito b.
Con la condizione che rij=d scriveremo
Posto il centro di massa nell'origine si ha:
La forza agente su ogni particella, verso il centro di massa, è una forza armonica. Con particelle equidistanti tra loro il sistema ruota intorno a C con frequenza angolare:
Quesito c.
Supposto m1~m3 e m2~m3 il moto delle masse è espresso da
Con d=cost il sistema ruota intorno a C con una frequenza angolare
Si usi un sistema di coordinate rotanti con frequenza angolare ω intorno al centro di massa e siano
riferite a tale sistema. Considerando il moto di m3 nel sistema del laboratorio, scriveremo:
Esercizi di Meccanica razionale elaborati dell'ing. Giorgio Bertucelli.
Esercizio
Una paracadutista si lancia da un'altezza di 3000 m . Prima dell'apertura del paracadute la donna raggiunge la velocità di 30m /s .
a) Assumendo che la resistenza dell'aria sia proporzionale alla velocità, quanto tempo ci vuole prima che la paracadutista raggiunga tale velocità?
b) Quanto spazio ha percorso per raggiungere tale velocità?
Dopo l'apertura il paracadute, la sua velocità rallenta fino a 3m /s . Quando la paracadutista colpisce il terreno, piega le ginocchia per assorbire l'impatto.
c) Quanto deve piegare le ginocchia per sperimentare una decelerazione non superiore a 10g?
Modellizzare le ginocchia attraverso una molla, la cui forza elastica resistente è proporzionale allo spostamento.
d) L'assunzione che la resisenza dell'aria sia proporzionale alla velocità è qualcosa di ragionevole? Usando argomenti qualitativi si mostri che questo è, o non è, il caso.
Soluzione Quesito a.
Si orienti un asse verticale x verso il basso. Assunta a= costante di proporzionalità della velocità, l'equazione differenziale del moto è:
la cui integrazione fornisce
per cui la velocità raggiunge il massimo valore (velocità limite) per t->oo:
Quesito b.
Integrando ulteriormente otteniamo l'ascissa in funzione del tempo: