Un fiume è largo . Una barca parte in direzione perpendicolare alla corrente del fiume con velocità . La corrente del fiume scorre parallela alle sponde e ha una velocità di valore . Determina il valore della velocità complessiva della barca.
La barca possiede due velocità, una perpendicolare all’altra. Nel dettaglio una è la velocità della barca nell’attraversare il fiume e l’altra invece è la velocità con cui la corrente del fiume si “trascina” dietro la barca, la risultante di queste due forze sarà la velocità complessiva della barca. Siccome abbiamo detto che le due velocità sono tra loro perpendicolari possiamo calcolare la risultante con il teorema di Pitagora, ossia
Il moto di un oggetto puntiforme è descritto dalle leggi orarie e . L’origine del sistema di riferimento in cui descriviamo il moto coincide con la posizione dell’oggetto all’istante . Determina il modulo del vettore spostamento dell’oggetto nell’intervallo tra e . Determina il modulo del vettore velocità dell’oggetto nell’istante .
L’oggetto in questione si muove lungo l’asse di moto uniformemente accelerato mentre lungo l’asse si muove di moto rettilineo uniforme, pertanto lo studieremo trattando separatamente le due componenti. Durante l’intervallo di cinque secondi possiamo calcolare, tramite la legge oraria, lo spostamento fatto lungo l’asse , ossia
e lo spostamento fatto lungo l’asse
Una volta determinata la posizione lungo le due componenti perpendicolari per calcolare lo spostamento complessivo ci basta utilizzare il teorema di Pitagora, ossia
Per quanto riguarda la velocità ragioniamo nello stesso modo, quindi prima calcoliamo la velocità lungo la componente , poi quella lungo la componente e infine utilizziamo il teorema di Pitagora.
la velocità lungo la componente è costante e uguale a quindi
Il moto di un aereo durante i primi dal distacco dalla pista di decollo è descritto dalle leggi orarie e . L’origine del sistema di riferimento è fissato nel punto in cui l’aereo si stacca dalla pista. Determina il modulo del vettore spostamento dell’aereo dopo il decollo. Determina il modulo del vettore velocità dell’aereo dopo il decollo.
Dalle due leggi orarie possiamo dedurre che su entrambe le componenti abbiamo un moto rettilineo uniforme, pertanto ogni secondo che passa l’aereo si sposta lungo l’asse di e lungo l’asse di (ossia l’aereo va avanti di e in alto di ). Una volta determinato questo possiamo facilmente calcolare il vettore spostamento dopo tre secondi utilizzando il teorema di Pitagora (infatti il vettore spostamento è in diagonale), per cui
Per rispondere alla seconda domanda e calcolare il modulo velocità dopo sei secondi applichiamo ancora una volta il teorema di Pitagora, l’unica cosa che osserviamo prima di procedere con il conto è che la velocità è una velocità costante, da cui
Un’astronave viaggia nel verso positivo dell’asse a una velocità costante . A un certo istante vengono accesi due motori che restano accesi per un certo intervallo tempo. Un motore imprime alla nave spaziale un’accelerazione costante nel verso positivo dell’asse , mentre l’altro le imprime un’accelerazione costante nel verso positivo dell’asse y. Quando vengono spenti i motori, la componente della velocità è . Determina per quanto tempo sono rimasti accesi i motori. Determina la componente della velocità dell’astronave.
Per studiare i moti in più dimensioni ci basta scomporre ogni vettore nelle sue componenti e e ragionare separatamente sulle due componenti. In questo particolare esercizio sia lungo l’asse che lungo l’asse abbiamo un moto uniformemente accelerato di cui conosciamo le accelerazioni, pertanto ci basta applicare le formule del moto uniformemente accelerato su entrambe le componenti. Otteniamo quindi che
da cui
Una volta determinato il tempo in cui i motori stanno accesi possiamo determinare la componente con la formula
Un’astronave viaggia nel verso positivo dell’asse a una velocità costante . A un certo istante vengono accesi due motori che restano accesi per . Un motore imprime alla nave spaziale un’accelerazione costante nel verso positivo dell’asse , mentre l’altro le imprime un’accelerazione nel verso positivo dell’asse . Determina e nell’istante in cui vengono spenti i motori.
Per studiare i moti in più dimensioni ci basta scomporre ogni vettore nelle sue componenti e e ragionare separatamente sulle due componenti. In questo particolare esercizio sia lungo l’asse che lungo l’asse abbiamo un moto uniformemente accelerato di cui conosciamo le accelerazioni, pertanto ci basta applicare le formule del moto uniformemente accelerato su entrambe le componenti. Otteniamo quindi che
L’acqua di un fiume scorre alla velocità di . Gli occupanti di una barca remano nel verso della corrente spingendo la barca a distanziarsi di metri ogni secondo da un tronco di albero che viene trascinato dalla corrente. Qual è la velocità della barca rispetto a un osservatore sulla riva del fiume? Gli occupanti della barca aumentano la forza sui remi causando un aumento del della velocità che imprimono alla barca. Di quanto aumenta, in percentuale, la velocità della barca rispetto all’osservatore sulla riva del fiume?
Per rispondere alla prima domanda possiamo senza dubbio supporre che la velocità del tronco sia la stessa della corrente del fiume, infatti il tronco viene trascinato dalla corrente, pertanto un osservatore che si trova sulla riva del fiume vede la barca allontanarsi alla velocità di da un oggetto che si muove alla velocità di , pertanto vedrà la barca muoversi alla velocità di . Cerchiamo ora di rispondere alla seconda domanda, la velocità che i remanti imprimono alla barca è di , pertanto se tale velocità aumenta del diventa . Una volta calcolato questo quindi abbiamo che la velocità percepita dall’osservatore a riva aumenterà di , che rispetto ai , si tratta di circa l’.
Su un vagone ferroviario che viaggia alla velocità di viene sparato, con un fucile ad aria compressa, un proiettile, in direzione perpendicolare al moto del treno. La velocità del proiettile rispetto al fucile è . Determina il valore della velocità del proiettile rispetto al suolo.
Quando il proiettile viene sparato il proiettile possiede già la velocità del treno, quindi viaggerà nella stessa direzione del treno e alla stessa velocità del treno (ovviamente considerando trascurabile la forza di attrito dell’aria) in più si allontanerà dal treno, in direzione perpendicolare, con una velocità di . Per calcolare la velocità del proiettile rispetto al suolo bisogna considerare entrambi questi movimenti, siccome l’angolo tra la velocità del treno e la velocità del proiettile è retto possiamo determinare il modulo della velocità attraverso il teorema di Pitagora, ossia
Un osservatore fermo sulla riva di un fiume misura la velocità di una canoa che sta passando e ottiene il valore di . La canoa viaggia nello stesso verso della corrente del fiume, che è parallela alle sponde del fiume e ha una velocità di . Nel momento in cui l’osservatore e la canoa sono allineati, l’osservatore fa partire il suo cronometro. Qual è il valore della velocità della canoa rispetto alla corrente? Quanto distano l’osservatore e la canoa dopo ?
La velocità che misura l’osservatore sulla riva del fiume è la somma tra la velocità della canoa e la velocità della corrente, pertanto possiamo calcolare la velocità della canoa rispetto alla velocità del fiume facendo
dove con il simbolo indichiamo la velocità della canoa nel sistema di riferimento fiume. Per rispondere alla seconda domanda osserviamo che la canoa rispetto all’osservatore a terra si muove con una velocità di per cui dopo la canoa si troverà a
Per rispondere alla domanda pensiamo a quello che succede nel sistema di riferimento della macchina. Quindi immaginiamo che la macchina sia ferma e si veda superare dalla moto, la macchina noterà che la moto dopo un’ora di tragitto si troverà a di distanza, infatti nel sistema di riferimento solidale con la terra la macchina avrà percorso mentre la moto , pertanto la velocità della moto rispetto al sistema di riferimento della macchina sarà .
Una bicicletta percorre su un piano il tratto di strada rappresentato nella figura
Il tratto da a è un arco di parabola mentre il tratto da a è un segmento. La bicicletta percorre il tratto da a con velocità di modulo costante in . Determina il modulo e le componenti del vettore velocità media della bicicletta nel tratto da a . Determina il modulo e le componenti dell’accelerazione media della bicicletta nel tratto da a .
Possiamo disegnare lo spostamento totale della biciclette nel tratto da a nel seguente modo
pertanto il vettore spostamento ha le seguenti componenti
e quindi, grazie alla definizione di velocità, possiamo calcolare le componenti della velocità media come
il cui modulo sarà
Per determinare il modulo e le componenti dell’accelerazione cerchiamo di disegnare i vettori velocità per vedere poi come sarà l’accelerazione.
Tutta la difficoltà dell’esercizio sta nel determinare l’angolo che fa con l’asse . Possiamo osservare che tale angolo è lo stesso che il segmento fa con l’asse e pertanto lo possiamo determinare con
da cui possiamo determinare le componenti di e poi calcolare ossia
da cui possiamo determinare le componenti dell’accelerazione e in seguito il suo modulo