Una pallina da tennis è lanciata verso l’alto con una velocità iniziale di e viene ripresa alla stessa altezza da terra dalla quale era stata lanciata. Quanto vale la massima altezza raggiunta dalla pallina? Per quanto tempo la pallina rimane in aria (tempo di volo)? Disegna il grafico velocità-tempo della pallina.
Ricordiamo che il punto di massima altezza della pallina coincide con il punto in cui la pallina è ferma, quindi tra le formule che conosciamo possiamo utilizzare questa
per calcolare la distanza percorsa dalla pallina sotto l’azione dell’accelerazione di gravità per passare da una velocità iniziale di a una velocità finale di , per cui
Per calcolare il tempo necessario alla pallina per raggiungere il punto più alto e per tornare indietro analizziamo la velocità che la pallina avrà nel momento in cui torna alla quota di partenza, in quell’istante la pallina avrà percorso un tratto in salita di che avrà portato la sua velocità da a e un tratto in discesa, sempre di , che porterà la sua velocità da a , cioè alla stessa velocità che aveva al momento della partenza ma diretta nella direzione opposta, cioè verso il basso. Pertanto per calcolare il tempo di volo possiamo usare la definizione di accelerazione, infatti
dove osserviamo esplicitamente che la velocità finale in questa formula è diversa dalla velocità finale della formula precedente perchè sono diversi i due moti che stiamo studiando. Da cui
Per quanto riguarda il grafico osserviamo che la velocità, nei moti uniformemente accelerati, varia in maniera costante e quindi i grafici velocità-tempo sono delle rette. In questo caso la velocità iniziale sarà , la velocità finale e il tempo necessario a passare dalla velocità iniziale a quella finale circa , per cui
Durante un allenamento di parkour un ragazzo esegue un salto verso l’alto partendo da un gradino alto , con una velocità iniziale di . Dopo quanto tempo il ragazzo raggiunge l’altezza massima? Determina l’altezza massima raggiunta da terra.
In una situazione come quella proposta nell’esercizio l’altezza massima coincide con la posizione in cui la velocità del ragazzo è nulla. Pertanto noi conosciamo la variazione di velocità e l’accelerazione e dobbiamo calcolare il tempo e lo spazio. Tra le formule che conosciamo ne abbiamo due che fanno esattamente al caso nostro. La prima è la definizione di accelerazione, infatti
da cui
mentre la seconda è
ai quali bisogna aggiungere i del gradino da cui parte e quindi arriva a di altezza rispetto all’altezza del suolo.
Un giocoliere lancia una pallina verso l’alto, con una velocità iniziale pari a . Che altezza massima raggiunge la pallina, rispetto a quella iniziale?
Ricordiamo che nel lancio di una pallina verso l’alto l’altezza massima raggiunta è quella che coincide con la velocità nulla della pallina. Pertanto in questo esercizio conosciamo l’accelerazione, la variazione di velocità e dobbiamo calcolare lo spazio percorso. Tra le formule che conosciamo abbiamo una formula che fa esattamente al caso nostro, ossia
La velocità con cui il sasso viene lanciato verso l’alto è la velocità al tempo , mentre l’istante nel quale il sasso raggiunge la posizione massima è quello in cui la velocità del sasso è nulla. Pertanto prima calcoliamo l’accelerazione gravitazionale sulla Luna e dopo rispondiamo alle due domande. Dalla definizione di accelerazione sappiamo che
per cui
Inoltre dalla definizione di accelerazione possiamo determinare le due formule inverse
Un’auto in moto a velocità costante si ferma con accelerazione di valore costante in . Quanto vale la distanza di arresto se, a parità di accelerazione, la sua velocità iniziale è ?
Tra le formule che conosciamo ce ne è una che lega l’accelerazione, lo spazio percorso e la variazione di velocità, ossia
che nel nostro caso, in cui la velocità finale è nulla e la velocità iniziale è chiamata , diventa
da questa formula è evidente che la relazione che lega la velocità e lo spazio percorso è di tipo quadratico (in quanto la velocità è elevata al quadrato) quindi se la velocità aumenta di un fattore allora lo spazio percorso aumenterà di un fatto . Pertanto lo spazio percorso sarà .
Una ragazza è affacciata a una finestra a 6,0\:m di altezza dal marciapiede. Dalle mani le sfugge un fermacapelli. Trascura l’attrito dell’aria. Calcola il tempo di caduta del fermacapelli.
Tra le formule che conosciamo la migliore che mette in relazione spazio percorso, tempo e accelerazione è la legge oraria (necessitiamo anche di conoscere la velocità iniziale che in questo caso è nulla), ossia
Nel nostro sistema di riferimento poniamo il punto di partenza del fermacapelli come e l’istante in cui inizia a cadere . Una volta fissato questo, e ricordato che il fermacapelli parte da fermo, abbiamo che
Un astronauta arrivato su un lontano pianeta vuole determinare l’accelerazione di gravità. L’astronauta lancia un sasso verso l’alto con una velocità iniziale di e misura un tempo di prima che il sasso ritorni sulla sua mano. Calcola l’accelerazione di gravità sul pianeta.
Prima di procedere con lo svolgimento dell’esercizio ragioniamo sulla velocità che avrà il sasso nel momento in cui tornerà sulla mano dell’astronauta. Per fare questo analizziamo la velocità del sasso istante dopo istante. Il sasso parte con velocità positiva (diretta verso l’alto) e sotto l’azione della forza di gravità rallenterà fino al punto in cui la sua velocità sarà nulla e l’altezza sarà quella massima, da quel momento in poi la velocità del sasso inizierà ad aumentare di modulo (verso il basso e quindi con segno negativo) fino a tornare sulla mano dell’astronauta. Pertanto il sasso accelera e decelera sempre sotto l’azione della forza di gravità che è costante sia in salita che in discesa (ovviamente trascurando l’azione di attrito dell’aria) pertanto il sasso quando torna al punto di partenza avrà velocità pari a . Una volta capito questo, grazie alla definizione di accelerazione, possiamo determinare che
Nel 1971 l’astronauta David Scott, durante la missione Apollo 15, effettuò il famoso esperimento denominato “della piuma e del martello”. Questo esperimento mise alla prova l’affermazione di Galileo che, in assenza di resistenza da parte dell’aria, i due oggetti sarebbero caduti contemporaneamente al suolo se lasciati cadere dalla stessa altezza allo stesso istante. Si stima che l’altezza da cui Scott fece cadere i due oggetti sia stata e la durata della caduta sia stata . Stima l’accelerazione di gravità della Luna.
Tra le formule che conosciamo la migliore che mette in relazione spazio percorso, tempo e accelerazione è la legge oraria (necessitiamo anche di conoscere la velocità iniziale che in questo caso è nulla), ossia
Nel nostro sistema di riferimento poniamo il punto di partenza degli oggetti come e l’istante in cui Scott fa cadere gli oggetti . Una volta fissato questo, e ricordato che gli oggetti vengono lasciati cadere, abbiamo che
Un’auto parte da ferma e accelera con accelerazione costante pari a raggiungendo una velocità pari a . A questo punto comincia a frenare con un’accelerazione pari a fino a fermarsi. Calcola la distanza totale percorsa dall’auto.
Per risolvere questo esercizio spezziamo il moto dell’auto in due moti uniformemente accelerati. In questa tipologia di moti, tra le formule che conosciamo, c’è una formula che mette in relazione lo spazio percorso con la variazione di velocità, ossia:
con questa formula possiamo calcolare lo spazio percorso nel tratto di accelerazione e lo spazio percorso nel tratto di decelerazione. Lo spazio totale percorso dalla macchina sarà la somma dei due spazi. Pertanto, dopo aver convertito opportunamente , abbiamo
Un atleta parte da fermo e accelera uniformemente fino a raggiungere una velocità di in . Un’auto accelera uniformemente da a nello stesso intervallo di tempo. Calcola l’accelerazione dell’atleta. Calcola l’accelerazione dell’auto. Durante quei , l’auto percorre una distanza maggiore rispetto all’atleta? Se si, di quanto?
Per determinare le due accelerazioni utilizziamo la definizione di accelerazione. Infatti tra le formule che conosciamo sappiamo che
da cui
Nonostante questo osserviamo esplicitamente che non possiamo aspettarci che la distanza percorso sia la stessa, questo in virtù della componente dovuta al moto rettilineo uniforme che è nettamente diversa nelle due situazioni. In dettaglio possiamo calcolare le due distanze percorse con la formula
da cui
Per cui l’automobile percorre in più rispetto all’atleta.