Confronta i seguenti grafici velocità-tempo, relativi al moto di due corpi con la stessa accelerazione. Il primo corpo ha velocità iniziale nulla, mentre il secondo ha velocità iniziale .
Cosa rappresentano le aree colorate in rosa? Quanto misurano? Cosa rappresenta l’area colorata in azzurro? Quanto misura? Come cambiano queste aree se la velocità iniziale del corpo aumenta?
Quando abbiamo un moto descritto da un grafico velocità tempo sappiamo che l’area del piano sottesa dal grafico rappresenta lo spostamento del corpo nell’intervallo di tempo selezionato, pertanto sappiamo che tutte le aree colorate rappresentano uno spostamento. In dettaglio le aree colorate in rosso rappresentano lo spostamento dovuto alla variazione di velocità, ogni istante successivo questo spostamento aumenta perchè la velocità aumenta e quindi a parità di tempo percorre più spazio. Per calcolare l’area rossa possiamo utilizzare la formula dell’area del triangolo e trovare
che è esattamente uguale al termine finale della legge oraria. L’area azzurra invece rappresenta la componente dovuta alla velocità iniziale del corpo ed è calcolabile con la formula dell’area del rettangolo
Come ultima cosa osserviamo che se aumentasse la velocità iniziale l’area rossa non cambierebbe mentre l’area azzurra aumenterebbe in quanto il termine è contenuto esclusivamente nella formula di .
Un’auto in moto a vede davanti a sé le luci di un blocco stradale, posto avanti. Il tempo di reazione dell’autista per pigiare il pedale del freno è di . L’accelerazione durante il rallentamento vale . L’auto riuscirebbe a fermarsi prima del blocco? Quanto vale la massima velocità iniziale alla quale l’automobilista potrebbe muoversi per essere sicuro di fermarsi prima del blocco, rallentando con la stessa accelerazione di valore costante?
Possiamo suddividere il moto dell’auto in due moti completamente distinti. Il primo è un moto rettilineo uniforme di durata e velocità , condizione nelle quali possiamo determinare la distanza percorsa dalla macchina, infatti nei moti rettilinei uniformi sappiamo che
Il secondo tratto invece è un moto uniformemente accelerato con accelerazione , velocità iniziale e velocità finale . In queste condizioni possiamo calcolare lo spazio percorso con la formula
Pertanto la macchina non ha abbastanza spazio per frenare. Per calcolare la velocità massima che permetterebbe all’auto di fermarsi in tempo si utilizza sempre la formula vista in precedenza, ma si utilizza per calcolare la velocità che permetterebbe all’auto di fermarsi in , ossia
Un blocco di neve si stacca da un cornicione. Roberto si trova davanti a una finestra al terzo piano del palazzo e il blocco di neve passa davanti ai suoi occhi mentre sta cadendo. Roberto si trova a rispetto al suolo e la neve arriva a terra con una velocità di . Calcola la velocità del blocco di neve quando passa davanti a Roberto.
Nel moto uniformemente accelerato gli esercizi che coinvolgono le velocità, lo spazio percorso e l’accelerazione si possono risolvere con la formula
da cui
dove osserviamo che in questo esercizio l’accelerazione di gravità ha segno positivo semplicemente per il fatto che è concorde con le velocità e quindi velocità e accelerazione hanno lo stesso segno (che fissiamo per comodità positivo).
Francesco si affaccia dalla finestra del suo palazzo, posta a un’altezza di , e lancia una palla a suo fratello, che si trova nel cortile, con una velocità iniziale di diretta verso il basso. Determina la velocità finale della palla.
Nel moto uniformemente accelerato gli esercizi che coinvolgono le velocità, lo spazio percorso e l’accelerazione si possono risolvere con la formula
da cui
dove osserviamo che in questo esercizio l’accelerazione di gravità ha segno positivo semplicemente per il fatto che è concorde con la velocità iniziale (infatti Francesco lancia la palla diretta verso il basso) e quindi velocità e accelerazione hanno lo stesso segno (che fissiamo per comodità positivo).
Un’automobile viaggia in autostrada alla velocità di . All’improvviso si crea un rallentamento e l’autista è costretto a frenare con accelerazione di valore costante. Il tempo di reazione del conducente, cioè l’intervallo di tempo fra la percezione del pericolo e l’inizio della frenata, è pari a . L’automobile si arresta in . Quanto tempo impiega l’automobile per frenare prima di arrestarsi?
Possiamo rappresentare la situazione con questo schema
La parte iniziale di moto rettileo uniforme ha velocità costante e durata , pertanto è possibile determinare lo spazio percorso dall’automobile durante questo tempo, infatti nei moti rettilinei uniformi vale
da cui
Il tratto rettilineo blu, ossia quello ad accelerazione costante, ha pertanto lunghezza ed è sufficiente per far fermare l’auto, ossia per permettere alla velocità dell’auto di passare da a , quindi possiamo calcolare l’accelerazione con la formula
pertanto
da cui, con la definizione di accelerazione è possibile determinare il tempo del tratto blu, ossia
quindi
e quindi il tempo totale di frenata, comprensivo del tratto rosso e del tratto blu, sarà .
Un elicottero sale in verticale verso l’alto a velocità costante pari a quando viene lasciata cadere una sacca di rifornimenti alimentari, che cade per . Calcola la velocità della sacca alla fine della caduta. Calcola la posizione della sacca alla fine della caduta. Calcola la distanza fra la sacca e l’elicottero dopo i di caduta.
Prima di procedere con la risoluzione dell’esercizio osserviamo esplicitamente che la sacca di rifornimenti viene lasciata cadere dall’elicottero che si muove verso l’alto con velocità di pertanto anche la sacca, quando lascia l’elicottero, possiede tale velocità iniziale. Una volta osservato questo possiamo procedere con la risoluzione formale. Per rispondere alla prima domanda utilizziamo direttamente la definizione di accelerazione. Infatti sappiamo che
da cui
dove osserviamo che la velocità iniziale è diretta verso l’alto e l’accelerazione di gravità verso il basso, quindi a livello vettoriale devono necessariamente avere segno opposto. Per rispondere alla seconda domanda e calcolare la posizione di “atterraggio” della sacca possiamo usare la legge oraria del moto uniformemente accelerato fissando il punto nel punto in cui parte la caduta della sacca e il tempo nell’istante in cui parte la caduta. A questo punto quindi la legge oraria che sarebbe
diventerà
per cui
ossia la sacca si trova sotto il punto in cui è partita di . Pertanto per rispondere all’ultima domanda ci manca soltanto sapere di quanto si è alzato l’elicottero in quei , ma siccome si muove di moto rettilineo uniforme con velocità possiamo dire che il suo spazio percorso sarà
In prossimità di un semaforo rosso una motocicletta che si muove a una velocità di , comincia a frenare con accelerazione costante fino ad arrestarsi in . Calcola l’accelerazione della motocicletta. Quanto tempo impiega la motocicletta a fermarsi?
Sappiamo che tra le nostre “armi” per affrontare gli esercizi sul moto uniformemente accelerato una delle più efficaci è:
che ci permette di calcolare lo spazio percorso da un oggetto che si muove di moto uniformemente accelerato di accelerazione conoscendo la velocità iniziale e la velocità finale . Possiamo osservare che noi conosciamo tutto di questa formula tranne l’accelerazione, quindi possiamo utilizzarla, infatti
per cui, una volta convertito la velocità nelle unità di misura del sistema internazionale , possiamo scrivere
Una volta determinata la decelerazione la definizione di accelerazione ci completa l’esercizio, infatti
Durante una prova di guida sicura un’auto frena con accelerazione costante e si ferma in . In questo intervallo di tempo l’auto percorre una distanza di . Quanto vale l’accelerazione dell’auto? Qual è la sua velocità iniziale?
Quando si parla di moto uniformemente accelerato noi disponiamo sostanzialmente di due formule, ossia la definizione di accelerazione e la legge oraria, cioè
quindi ogni esercizio si può risolvere esclusivamente con queste due formule. Per comodità si usa spesso la formula
che altri non è che l’unione delle due formule precedenti. Anche questo esercizio si risolverà usando esclusivamente queste formule quindi partiamo dal sistema di equazioni
e siccome lo riscriviamo come
da cui
per cui
quindi
da cui è possibile determinare con la formula precedente, ossia
Un’automobile si muove a una velocità costante di . All’improvviso il conducente frena con accelerazione di valore costante a causa di un ostacolo presente sulla strada, impiegando a fermarsi. Quanto vale l’accelerazione dell’auto? Qual è lo “spazio di frenata”?
Sappiamo che l’accelerazione è quel concetto fisico che descrive quanto velocemente varia la velocità. A livello matematico è definito dalla formula
per cui questa definizione, dopo l’opportuna conversione della velocità nelle unità di misura del sistema internazionale , ci permette di rispondere alla prima domanda, infatti
Per calcolare lo spazio di frenata si può utilizzare sia la legge oraria, che però prevede di fissare un sistema di riferimento, sia la formula
che ci permette di capire quanto spazio percorre un oggetto in moto uniformemente accelerato di accelerazione per passare dalla velocità iniziale alla velocità finale . Usiamo quest’ultima e calcoliamo
Un’ascensore sale, partendo da fermo, con accelerazione per . Poi inizia a rallentare con accelerazione di modulo . Quale velocità raggiunge dopo ? Quale altezza raggiunge dopo ? Quanto tempo impiega a fermarsi? A che altezza si ferma?
Siccome l’ascensore parte da fermo e si muove con accelerazione costante per per determinare la velocità possiamo usare la definizione di accelerazione, ossia
per cui
Per determinare l’altezza, considerando che parte da fermo al livello possiamo usare la legge oraria, ossia
da cui
Per rispondere alla terza e alla quarta domanda utilizziamo le stesse due formule viste ora, infatti
per cui
mentre per calcolare a che altezza si ferma utilizziamo ancora
da cui, considerando che in questo caso la velocità iniziale e il punto di partenza non sono nulli, otteniamo