SparkStudio Fisica | Unità 6
UNITÀ 6

Il moto
rettilineo

Tutto si muove. Qui impari a descrivere il movimento lungo una retta: traiettoria e spostamento, velocità media e istantanea, il moto a velocità costante, l'accelerazione e il moto uniformemente accelerato, fino a leggere e usare i grafici.

Come usarlo: scorri o usa il menu in alto. Ogni concetto ha definizione, formule ed esempi già risolti passo-passo.
I colori aiutano: blu = definizione, verde = formula, giallo = esempio svolto, arancione = consiglio, rosso = attenzione.
Strumenti: in fondo trovi il convertitore km/h↔m/s, la legge oraria interattiva e i grafici dinamici del moto uniforme e accelerato.
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Lo studio del moto

Cinematica · traiettoria e sistema di riferimento · spazio percorso e spostamento

La cinematica

Definizione

La cinematica è la parte della fisica che studia i corpi in movimento, senza occuparsi delle cause. Per semplificare, gli oggetti vengono considerati puntiformi (privi di dimensioni): è accettabile quando le dimensioni del corpo sono piccole rispetto allo spazio in cui si muove.

Traiettoria e sistema di riferimento

Traiettoria

La traiettoria è la linea descritta dal corpo che si muove nello spazio. Può essere una retta (moto rettilineo, per esempio un treno in pianura) o una curva (per esempio l'orbita ellittica della Terra attorno al Sole).

Sistema di riferimento

Per studiare un moto rettilineo serve un sistema di riferimento, formato da: un'origine (punto O), un verso di percorrenza (indicato da una freccia) e un'unità di misura. La posizione di un punto è data dalla sua coordinata. Su un piano servono 2 coordinate (x, y), nello spazio 3 coordinate (x, y, z).

O A x unità
Origine O, verso (freccia), unità di misura: la posizione A è una coordinata.

Lo spazio percorso e lo spostamento

Due grandezze diverse

Tra l'istante t1 (posizione s1) e l'istante t2 (posizione s2):

  • lo spazio percorso è la lunghezza del tragitto effettivamente seguito lungo la traiettoria (è sempre positivo);
  • lo spostamento è la differenza tra la posizione finale e quella iniziale; è un vettore che unisce direttamente il punto iniziale a quello finale, e ne consideriamo il modulo.
Quando vale Δs = s₂ − s₁

Solo se il corpo si muove lungo una retta orientata senza tornare indietro, lo spazio percorso si calcola come differenza tra le coordinate:

Δs = s2 − s1

In questo caso lo spazio percorso coincide con il modulo dello spostamento. Se la traiettoria è curva oppure il corpo torna indietro, lo spazio percorso è maggiore del modulo dello spostamento.

Esempio svolto · mezzo giro
Un'atleta percorre mezzo giro di una pista circolare di raggio R = 50 m. Quanto valgono spostamento e spazio percorso?

modulo dello spostamento (il diametro): 2 · R = 2 · 50 = 100 m
spazio percorso (la semicirconferenza): π · R = 3,14 · 50 ≈ 157 m
P₁ P₂ spazio percorso = π·R spostamento = 2·R
Arco rosso = spazio percorso · segmento blu = modulo dello spostamento.
💡 Esempio · Manhattan Per andare dal punto A al punto B percorrendo le strade "a Z" si va 2 isolati verso nord-sud (2 · 88 m = 176 m) e 1 isolato verso ovest-est (277 m): lo spazio percorso è 176 + 277 = 453 m, ma il modulo dello spostamento (in linea d'aria, con Pitagora) è √(176² + 277²) ≈ 328 m: minore, perché va "dritto".

Che cosa vede il fisico · il GPS

Il GPS e il campionamento

Il ricevitore GPS acquisisce la posizione da una rete di satelliti a intervalli di tempo regolari (per esempio ogni secondo): questo si chiama campionamento della posizione. A ogni passo calcola il modulo dello spostamento tra una misura e la successiva, e sommando questi tratti ottiene una stima dello spazio percorso.

Più l'intervallo Δt tra due misure è piccolo, più la stima è precisa: con intervalli lunghi, su una strada tutta curve (tornanti) il GPS "taglia" le curve e sottostima lo spazio realmente percorso. Per questo nelle gare molto veloci serve campionare più spesso.

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La velocità

Velocità media scalare · conversione km/h ↔ m/s · grafici · velocità istantanea

La velocità media scalare

In simboli
vm = spazio percorsoΔt

La velocità media scalare è il rapporto fra lo spazio percorso e l'intervallo di tempo impiegato a percorrerlo. Unità di misura nel SI: il metro al secondo (m/s).

Attenzione alla formula

Spesso si scrive anche vm = (s2 − s1)/(t2 − t1): ma s2 − s1 è lo spostamento lungo una retta orientata. Coincide con lo spazio percorso solo nel moto rettilineo senza inversioni; se il corpo torna indietro, usa lo spazio realmente percorso.

Esempio svolto
Un ciclista percorre un circuito lungo 660 m in 60 s. Qual è la sua velocità media?

vm = 660 m60 s = 11 m/s

Convertire km/h e m/s

Regola

La velocità si esprime spesso anche in chilometri all'ora (km/h). Per passare da un'unità all'altra:

km/h → m/s : ÷ 3,6 m/s → km/h : × 3,6

Per esempio: 90 km/h ÷ 3,6 = 25 m/s  ·  72 km/h ÷ 3,6 = 20 m/s  ·  25 m/s × 3,6 = 90 km/h.

💡 Perché 3,6? In 1 chilometro ci sono 1000 m e in 1 ora ci sono 3600 s, quindi 1 km/h = 1000/3600 m/s = 1/3,6 m/s. Dividere per 3,6 "smonta" chilometri e ore in metri e secondi.

Il grafico spazio-tempo

Come si legge

Sul grafico spazio-tempo il tempo è in orizzontale e la posizione in verticale. Un tratto in salita indica che il corpo si allontana; un tratto orizzontale indica che è fermo (la posizione non cambia). Più ripida è la linea, più veloce è il moto.

mi fermo posizione tempo
Cammino, mi fermo (tratto piatto), riprendo a camminare.

Il grafico velocità-tempo

Come si legge

Sul grafico velocità-tempo il tempo è in orizzontale e la velocità in verticale. Ogni tratto indica la velocità in quell'intervallo di tempo: un tratto in salita significa che il corpo accelera, uno in discesa che decelera, un tratto orizzontale che la velocità è costante. Dove v = 0 il corpo è fermo.

Se la velocità è positiva, l'area compresa fra la linea e l'asse dei tempi rappresenta lo spazio percorso nell'intervallo.

v = 0 (fermo) velocità tempo
Tratti a velocità diversa · l'area azzurra = spazio percorso.

La velocità istantanea

Definizione

La velocità calcolata in un intervallo di tempo Δt molto piccolo prende il nome di velocità istantanea v: è la velocità "in quell'istante". Il tachimetro dell'auto misura la velocità istantanea.

Attenzione

La velocità media dice solo "in media" quanto andavamo veloci sull'intero tragitto: è un'informazione grossolana. Suddividendo il percorso in intervalli più piccoli si ottiene una descrizione via via più precisa, fino alla velocità istantanea.

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Il moto rettilineo uniforme

Velocità costante · legge oraria · pendenza del grafico

Una velocità sempre costante

Definizione

Il moto rettilineo uniforme è un moto su una retta in cui la velocità è costante in qualsiasi intervallo di tempo. In questo moto la velocità media coincide con la velocità istantanea: si parla quindi solo di "velocità" v.

Proporzionalità

Poiché la velocità è costante, spazio e tempo sono direttamente proporzionali: la costante di proporzionalità è proprio la velocità.

Δs = v · Δt

La legge oraria

In simboli
s = v · t + s0

La legge oraria esprime la posizione s in funzione del tempo t. Se all'istante t = 0 il corpo parte dall'origine (s0 = 0) diventa semplicemente s = v · t.

Esempio svolto
Una moto viaggia a velocità costante di 20 m/s partendo dall'origine. Dove si trova dopo 1 minuto?

1 min = 60 s  →  s = v · t = 20 · 60 = 1200 m

Il significato della pendenza

Da ricordare

Nel grafico spazio-tempo di un moto rettilineo uniforme la pendenza della retta coincide con la velocità:

pendenza = ΔsΔt = v

Se la pendenza è negativa (v < 0), il corpo torna indietro, verso l'origine. Il grafico velocità-tempo, invece, è una semiretta orizzontale: la velocità non cambia nel tempo.

Δt Δs posizione tempo
Retta crescente: la pendenza Δs/Δt è la velocità.
Esempio svolto · auto e moto
In un grafico, un'auto parte dall'origine e in 20 s arriva a 600 m; una moto parte da 200 m e in 20 s arriva a 600 m. Scrivi le due leggi orarie.

auto: v = 600 m20 s = 30 m/s  →  s = 30 · t    moto: v = (600 − 200) m20 s = 20 m/s  →  s = 200 + 20 · t
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L'accelerazione

Variazioni di velocità · accelerazione media · accelerare e decelerare

Le variazioni di velocità

Definizione

La maggior parte dei moti non avviene a velocità costante. Quando la velocità aumenta diciamo che il corpo accelera; quando diminuisce diciamo che decelera (o frena). L'accelerazione misura quanto rapidamente cambia la velocità.

L'accelerazione media

In simboli
am = ΔvΔt = v2 − v1t2 − t1

L'accelerazione media è il rapporto fra la variazione di velocità e l'intervallo di tempo in cui avviene. Unità di misura nel SI: il metro al secondo quadrato (m/s²).

Esempio svolto
Un'auto passa da 0 a 34 km/h nei primi 20 s. Qual è l'accelerazione media (in unità del SI)?

Δv = 34 km/h ÷ 3,6 = 9,4 m/s ; Δt = 20 s
am = 9,4 m/s20 s = 0,47 m/s²

Accelerazione e decelerazione

Il segno conta (nel verso positivo)

Se il corpo si muove nel verso positivo scelto per l'asse:

  • se la velocità aumenta → Δv > 0 → a > 0 → moto accelerato;
  • se la velocità diminuisce → Δv < 0 → a < 0 → moto decelerato;
  • se Δv = 0 → a = 0 → velocità costante.
Esempio svolto · frenata
Un'auto passa da 36 km/h a ferma in 40 s.

v1 = 36 km/h ÷ 3,6 = 10 m/s ; v2 = 0 → Δv = −10 m/s
am = −10 m/s40 s = −0,25 m/s²  (decelera)
⚠ Attenzione al verso

"Accelera" e "decelera" non dipendono solo dal segno di a: dipendono dal verso scelto come positivo. Un corpo che si muove nel verso positivo decelera se a < 0; ma un corpo che si muove nel verso negativo può avere a < 0 e accelerare. La regola è: il moto accelera quando il modulo della velocità aumenta, decelera quando diminuisce.

L'accelerazione istantanea

Definizione

L'accelerazione calcolata in un intervallo di tempo Δt molto piccolo è l'accelerazione istantanea a. Lo strumento che la misura direttamente è l'accelerometro.

Tecnologia · gli accelerometri

Gli accelerometri di smartphone, tablet e droni sono sensori MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), grandi pochi millimetri. Al loro interno contengono minuscoli elementi meccanici (masse, molle e leve): quando il dispositivo accelera, per inerzia le parti mobili si spostano rispetto a quelle fisse, e questo spostamento viene trasformato in un segnale elettrico misurabile.

Di solito un sensore unisce tre accelerometri orientati lungo gli assi x, y e z (accelerometro triassiale), così da misurare l'accelerazione in qualsiasi direzione. È ciò che permette di ruotare automaticamente lo schermo, di contare i passi o di stabilizzare un drone.

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Il moto rettilineo uniformemente accelerato

Accelerazione costante · legge della velocità · caduta libera · piano inclinato

Il moto ad accelerazione costante

Definizione

Un moto rettilineo in cui l'accelerazione è costante si dice uniformemente accelerato. La velocità cambia sempre della stessa quantità in ogni secondo: per esempio con a = 0,5 m/s² la velocità aumenta di 0,5 m/s ogni secondo.

La legge della velocità

In simboli
v = v0 + a · t

v0 = velocità iniziale; a = accelerazione costante; t = tempo. Se la partenza è da fermo (v0 = 0) si ha v = a · t. Se il corpo si muove nel verso positivo e a < 0, il moto è uniformemente decelerato (la velocità diminuisce di |a| ogni secondo).

Esempio svolto
Una moto parte da ferma con a = 0,5 m/s². Quanto vale la velocità dopo 2,2 s e dopo 6,6 s?

v = a · t = 0,5 · 2,2 = 1,1 m/s  ·  v = 0,5 · 6,6 = 3,3 m/s (triplo del tempo → tripla la velocità)

L'accelerazione di gravità

Caduta libera

Se l'attrito dell'aria è trascurabile, un corpo lasciato cadere si muove con accelerazione costante, detta accelerazione di gravità g ≈ 9,8 m/s². La velocità di caduta vale:

v = g · t
Esempio svolto
Un sasso cade da una torre. Che velocità ha dopo 2,0 s?

v = g · t = 9,8 · 2,0 = 19,6 m/s
Attenzione

La velocità di caduta non dipende dalla massa né dalla forma del corpo: questo vale solo se trascuriamo l'attrito dell'aria. Nel vuoto, una piuma e una biglia toccano terra insieme.

L'accelerazione su un piano inclinato

In simboli

Un corpo che scende lungo un piano inclinato di altezza h e lunghezza l, trascurando gli attriti, ha accelerazione costante:

a = g · hl

Poiché h/l < 1, un corpo su un piano inclinato scende sempre più lentamente di un corpo in caduta libera.

Esempio svolto
Un carrello scende senza attrito su un piano lungo l = 100 m e alto h = 12 m. Qual è la sua velocità dopo 10 s?

a = g · h/l = 9,8 · 12100 = 1,2 m/s²
v = a · t = 1,2 · 10 = 12 m/s
h l α
Più ripido è il piano (h/l grande), maggiore è l'accelerazione.
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Leggi orarie e grafici

Spazio dall'area del grafico v-t · legge oraria del moto accelerato

Lo spazio percorso dall'area del grafico

Da ricordare

In un grafico velocità-tempo, l'area compresa fra la linea della velocità e l'asse dei tempi rappresenta lo spazio percorso dal corpo, se la velocità è positiva. In generale quell'area rappresenta lo spostamento con segno: i tratti con v > 0 contano positivi, quelli con v < 0 contano negativi (il corpo torna indietro).

Δs = v·t
Moto uniforme
Δs = v · t
area di un rettangolo
½·a·t²
Accelerato, v0 = 0
Δs = ½·a·t²
area di un triangolo
v₀·t + ½·a·t²
Accelerato, v0 ≠ 0
s = s0+v0·t+½·a·t²
area di un trapezio

La legge oraria del moto accelerato

Partenza da fermo (v0 = 0)
s = 12 · a · t²

Lo spazio percorso è direttamente proporzionale al quadrato del tempo: il grafico spazio-tempo è una parabola.

Caso generale (v0 ≠ 0)
s = s0 + v0 · t + 12 · a · t²

Tre contributi: s0 (posizione di partenza), v0·t (annullo se parto da fermo), ½·a·t² (annullo se vado a velocità costante).

Esempio svolto
Un'automobile parte dall'origine con v0 = 10 m/s e a = 0,5 m/s². Dove si trova dopo 20 s?

s = v0·t + ½·a·t² = 10 · 20 + ½ · 0,5 · 20² = 200 + 100 = 300 m
Esempio svolto · spazio di frenata
Un'auto procede a 72 km/h e frena con decelerazione costante di 2,0 m/s². Quanto spazio percorre prima di fermarsi?

v0 = 72 km/h ÷ 3,6 = 20 m/s → tempo di arresto: 0 = v0 − a·t → t = 20/2,0 = 10 s
spazio (area del triangolo sotto il grafico v-t): Δs = ½ · v0 · t = ½ · 20 · 10 = 100 m
💡 Caduta libera Nella caduta libera l'accelerazione è g = 9,8 m/s²: lo spazio percorso vale Δs = ½ · g · t². Per esempio dopo 2,0 s un sasso è caduto di ½ · 9,8 · 2,0² ≈ 19,6 m.
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La mappa dei fondamentali

Tutte le formule dell'unità a colpo d'occhio

Velocità e accelerazione

Velocità media scalare
vm = spazio percorso / Δt
in m/s
Conversione
km/h → m/s : ÷ 3,6
m/s → km/h : × 3,6
Velocità istantanea
v (con Δt piccolo)
Accelerazione media
am = Δv / Δt
in m/s²

Moto uniforme e uniformemente accelerato

Uniforme · legge oraria
s = s0 + v·t
grafico s-t = retta
Unif. accel. · velocità
v = v0 + a·t
Unif. accel. · legge oraria
s = s0+v0·t+½·a·t²
grafico s-t = parabola
Caduta libera
v = g·t · Δs = ½·g·t²
g = 9,8 m/s²
Piano inclinato
a = g·(h/l)
Strategia generale
  1. Hai velocità costante? È moto uniforme: usa s = s0 + v·t. Controlla le unità (m/s o km/h).
  2. L'accelerazione è costante (non zero)? È uniformemente accelerato: la velocità segue v = v0 + a·t, la posizione s = s0 + v0·t + ½·a·t².
  3. Serve lo spazio percorso da un grafico v-t? Calcola l'area (rettangolo, triangolo o trapezio).
  4. Un corpo cade? È caduta libera con a = g = 9,8 m/s².
⚙

Strumenti per allenarti

Converti le velocità, "muovi" il grafico e prova la caduta libera

÷×3,6 Convertitore km/h ↔ m/s

Inserisci una velocità e scegli la direzione: puoi usare la virgola.

valore =
—

v=Δs/Δt Velocità media

Inserisci spazio percorso e tempo: ottieni la velocità media in m/s e in km/h.

Δs = m Δt = s
velocità (m/s)—
velocità (km/h)—

s=v·t+s₀ Moto rettilineo uniforme (dal vivo)

Muovi i cursori: vedi cambiare la pendenza della retta nel grafico spazio-tempo e la posizione al tempo t.

v = 15 m/s s₀ = 0 m t = 6 s
La legge oraria

s = v·t + s₀

Nota

La pendenza della retta è la velocità: più alta è v, più ripida è la linea. Il punto evidenziato mostra la posizione al tempo t scelto.

v=v₀+a·t Moto uniformemente accelerato (dal vivo)

Muovi i cursori: il grafico velocità-tempo è una retta e, poiché qui la velocità è positiva, l'area sotto di essa (azzurra) rappresenta lo spazio percorso.

v₀ = 4 m/s a = 2 m/s² t = 5 s
Velocità e spazio al tempo t

v = v₀ + a·t

s = v₀·t + ½·a·t²

Nota

L'area sotto la retta velocità-tempo (trapezio), se la velocità è positiva, rappresenta lo spazio percorso: ecco perché s = v0·t + ½·a·t².

⬇ Caduta libera

Quanto è caduto e con che velocità arriva un sasso lasciato cadere (g = 9,8 m/s², attrito trascurabile)?

tempo di caduta t = 2 s
velocità v = g·t—
caduta Δs = ½·g·t²—

↔ Promemoria rapido

Velocità e accelerazione
  • velocità media scalare: vm = spazio percorso / Δt (in m/s)
  • km/h → m/s : ÷ 3,6 ; m/s → km/h : × 3,6
  • accelerazione media: am = Δv/Δt (in m/s²)
  • a > 0 accelera · a < 0 decelera · a = 0 velocità costante
Leggi orarie
  • uniforme: s = s0 + v·t (pendenza = v)
  • unif. accelerato: v = v0 + a·t
  • unif. accelerato: s = s0 + v0·t + ½·a·t²
  • caduta libera: v = g·t ; Δs = ½·g·t² (g = 9,8 m/s²)