SparkStudio Fisica | Unità 7
UNITÀ 7

Il moto nel piano

Quando un corpo si muove lungo una circonferenza, oscilla avanti e indietro o viene lanciato in aria, la velocità diventa un vettore che cambia in continuazione. Qui impari a descrivere il moto circolare, quello armonico, quello parabolico e a comporre due moti che avvengono insieme.

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 calcolatore del moto circolare, il convertitore gradi↔radianti, il grafico dal vivo del moto armonico e il calcolatore del lancio.
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Il moto circolare uniforme

Vettore velocità · periodo e frequenza · accelerazione centripeta

Il vettore velocità

L'idea di partenza

Finora abbiamo trattato la velocità come una grandezza scalare, cioè solo come un numero. In realtà la velocità è una grandezza vettoriale: per descriverla servono modulo, direzione e verso. Il vettore velocità v ha:

  • modulo uguale alla velocità istantanea;
  • direzione tangente alla traiettoria;
  • verso concorde col verso di percorrenza della traiettoria.

Il moto circolare uniforme

Definizione

Un punto materiale si muove di moto circolare se la sua traiettoria è una circonferenza. Se la velocità è costante in modulo, il moto si dice circolare uniforme: in ogni istante il vettore velocità è tangente alla circonferenza, ma la sua direzione cambia di continuo.

v O
Il modulo della velocità resta costante, ma il vettore v punta sempre lungo la tangente: cambia direzione punto per punto.

Periodo e velocità

Il periodo

Il periodo T è il tempo impiegato dal punto a percorrere l'intera circonferenza, che ha lunghezza 2π·r. Poiché il moto si ripete identico a ogni giro, il moto circolare uniforme è un moto periodico.

In simboli

La velocità è il rapporto fra la lunghezza della circonferenza e il periodo:

v = 2π · rT

v = velocità (m/s); r = raggio della circonferenza (m); T = periodo (s).

Esempio svolto
Un trenino elettrico percorre una pista circolare di raggio 2,50 m in 10,0 s. Quanto vale la sua velocità?

v = 2π · rT = 2π · 2,50 m10,0 s = 1,57 m/s

La frequenza

Definizione

La frequenza f è il numero di giri che il punto compie nell'unità di tempo. Si misura in hertz (simbolo Hz): 1 Hz = 1 giro al secondo.

In simboli

Frequenza e periodo sono uno il reciproco dell'altro (il loro prodotto vale 1):

f · T = 1 f = 1T

Usando la frequenza, la velocità si può scrivere anche così: v = 2π · r · f

Esempio svolto
Un disco rigido di un computer compie 2 giri al secondo (f = 2 Hz). Qual è il periodo?

T = 1f = 12 Hz = 0,5 s

L'accelerazione centripeta

Definizione

In un moto circolare, anche se uniforme, è sempre presente un'accelerazione: il modulo della velocità resta costante, ma la direzione del vettore v cambia in ogni istante. Questa accelerazione è diretta verso il centro della circonferenza e si chiama accelerazione centripeta ac.

In simboli
ac = v2r

ac = accelerazione centripeta (m/s2); v = velocità (m/s); r = raggio (m).

v ac O
v è tangente, ac punta verso il centro: i due vettori sono sempre perpendicolari.
Esempio svolto
Riprendiamo il trenino: v = 1,57 m/s su raggio r = 2,50 m. Qual è l'accelerazione centripeta?

ac = v2r = (1,57 m/s)22,50 m = 0,986 m/s2
💡 Da ricordare Nel moto circolare uniforme bisogna distinguere bene le grandezze: a parità di periodo, se il raggio aumenta aumenta anche la velocità tangenziale (v = 2πr/T); a parità di raggio, se il periodo aumenta la velocità diminuisce. L'accelerazione centripeta esiste sempre, anche quando il modulo della velocità non cambia, perché cambia la direzione del vettore velocità.
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La velocità angolare

Radianti · velocità angolare ω · relazioni con v e ac

La misura degli angoli: i radianti

Definizione

Di solito gli angoli si misurano in gradi (°), ma nel Sistema Internazionale si usano i radianti (rad). L'angolo in radianti è il rapporto fra l'arco sotteso e il raggio della circonferenza:

angolo in radianti = misura arcomisura raggio = ABr

Arco e raggio sono due lunghezze: il loro rapporto è un numero puro. Per questo il radiante è una grandezza adimensionale, ma in fisica si indica comunque con il simbolo rad.

α r arco AB A B O
Un angolo misura 1 radiante quando l'arco sotteso ha lunghezza uguale al raggio.
Gradi e radianti

Tutta la circonferenza (arco = 2π·r) sottende un angolo giro: 360° = 2π rad. Quindi:

1 rad = 180°π ≈ 57,3°

Per convertire si usa la proporzione: αrad : π = αgradi : 180°

Esempio svolto
Quanti radianti vale un angolo di 60°?

αrad = π · 60°180° = 2π · 60°360° = 1,05 rad

La velocità angolare

Definizione

La velocità angolare ω (si legge «òmega») è il rapporto fra l'angolo descritto dal raggio e l'intervallo di tempo impiegato a descriverlo. Si misura in radianti al secondo (rad/s).

ω = αΔt
Esempio svolto
Un punto descrive un angolo di 90° (π/2 rad) in 4 s. Qual è la sua velocità angolare?

ω = π/2 rad4 s = 0,39 rad/s

La velocità angolare nel moto uniforme

In simboli

In un giro completo il raggio descrive 2π rad nel tempo di un periodo T, perciò:

ω = 2πT = 2π · f

In un corpo rigido che ruota, tutti i punti hanno la stessa velocità angolare ω; cambia invece la velocità v (tangenziale), che dipende dalla distanza dall'asse.

Relazioni tra v e ω e tra ac e ω

Velocità tangenziale

Partendo da v = 2π·r/T e sostituendo 2π/T con ω:

v = ω · r
Accelerazione centripeta

Sostituendo v = ω·r in ac = v2/r:

ac = ω2 · r
A B O
A e B ruotano con la stessa ω, ma B (più lontano dal centro) ha velocità tangenziale maggiore di A.
💡 Da ricordare La velocità angolare ω non dipende dalla distanza dal centro: due punti sulla stessa giostra hanno la stessa ω. La velocità tangenziale v, invece, cresce con il raggio: v = ω·r.
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Il moto armonico

Proiezione del moto circolare · legge oraria · accelerazione

La proiezione del moto circolare sul diametro

Definizione

Se osserviamo da lontano un punto P che si muove di moto circolare uniforme, vediamo solo la sua proiezione Q sul diametro andare avanti e indietro lungo un segmento. Il moto della proiezione Q si chiama moto armonico. È un moto periodico ma non uniforme: in tempi uguali Q percorre tratti diversi.

P Q O B A
Mentre P gira, Q oscilla sul diametro fra A e B.
Le tre corrispondenze
  • il centro dell'oscillazione è il centro della circonferenza;
  • l'ampiezza dell'oscillazione è uguale al raggio r;
  • il periodo del moto armonico è uguale a quello del moto circolare uniforme.

Periodo e pulsazione

Collegamento con il moto circolare

Nel moto armonico la pulsazione ω è la stessa velocità angolare del moto circolare da cui il moto armonico deriva. Periodo e pulsazione sono collegati da:

ω = 2πT T = 2πω

La legge oraria

In simboli

La posizione s di Q rispetto al centro, all'istante t, nella forma più semplice della legge oraria del moto armonico, è:

s = A · cos(ω · t)

A = ampiezza (m, pari al raggio); ω = pulsazione (rad/s, pari alla velocità angolare); t = tempo (s). Questa forma vale quando all'istante iniziale il punto si trova nell'estremo positivo dell'oscillazione, cioè s = A.

Se il moto parte da una posizione diversa, si può usare la forma generale: s = A · cos(ω · t + φ), dove φ è la fase iniziale.

Esempio svolto
Un punto Q si muove di moto armonico con ampiezza r = 10 cm e pulsazione ω = 1,25 rad/s. Dov'è all'istante t = 1,0 s?

s = r · cos(ω · t) = 10 cm · cos(1,25 rad/s · 1,0 s) = 10 cm · cos(1,25 rad) = 3,2 cm

Il grafico spazio-tempo

Una cosinusoide

Il grafico di s in funzione di t è una cosinusoide: nella scelta iniziale s(0)=A parte dal valore massimo, scende fino a −A, risale e si ripete a ogni periodo T. La velocità è massima al centro e nulla agli estremi.

A −A t s
Il moto armonico si ripete a ogni periodo T.

L'accelerazione del moto armonico

In simboli
a = −ω2 · s

L'accelerazione è direttamente proporzionale alla posizione, ma ha segno opposto: quando s è positiva a è negativa, e viceversa. È sempre diretta verso il centro dell'oscillazione.

💡 Da ricordare Il moto armonico è "il moto circolare visto di taglio". Ampiezza ↔ raggio, pulsazione ↔ velocità angolare, periodo ↔ periodo. La legge oraria usa il coseno quando si sceglie come istante iniziale la posizione di massimo allungamento; con un punto di partenza diverso cambia la fase iniziale.
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Il moto parabolico

Lancio orizzontale · lancio obliquo · altezza massima e gittata

Lancio con velocità orizzontale

Due moti indipendenti

Una biglia che lascia un tavolo con velocità orizzontale è soggetta contemporaneamente a due moti indipendenti: uno orizzontale rettilineo uniforme e uno verticale di caduta libera (uniformemente accelerato). I due moti non si influenzano a vicenda.

Le due leggi orarie
sx = v0 · t sy = 12 · g · t2

v0 = velocità orizzontale iniziale (m/s); g = 9,8 m/s2; t = tempo (s). Qui sy indica lo spazio percorso verso il basso: abbiamo scelto positivo il verso della caduta.

Se invece scegliamo l'asse verticale positivo verso l'alto, la posizione si scrive: y = y0 − 12gt².

Se conosci l'altezza del tavolo

Negli esercizi spesso si conosce l'altezza h da cui il corpo cade. Prima trovi il tempo di caduta, poi la distanza orizzontale:

t = √(2hg) sx = v0 · t vy = g · t

Queste formule valgono per un lancio orizzontale, trascurando l'attrito dell'aria.

Esempio svolto
Una biglia lascia il tavolo con v0 = 2,0 m/s. Dove si trova dopo 0,10 s?

sx = v0 · t = 2,0 m/s · 0,10 s = 0,20 m
sy = 12 · g · t2 = 0,5 · 9,8 m/s2 · (0,10 s)2 = 0,049 m verso il basso
v0 O x
Mettendo insieme i due moti si ottiene una parabola: per questo si parla di moto parabolico.

Lancio con velocità obliqua (proiettile)

Le componenti della velocità

Se il corpo è lanciato con velocità v0 che forma un angolo α con l'orizzontale, la velocità iniziale si scompone in:

vx = v0 · cos α vy = v0 · sen α

La componente orizzontale rimane costante; quella verticale diminuisce in salita (fino a zero al punto più alto) e aumenta in discesa. La traiettoria è ancora una parabola.

Velocità verticale e tempi

Se scegliamo il verso positivo verso l'alto, la velocità verticale cambia secondo:

vy(t) = vy − g·t tsalita = vyg tvolo = 2vyg

Il tempo di volo indicato vale quando il corpo parte e arriva alla stessa altezza.

Altezza massima
h = vy22g

Si ottiene quando la velocità verticale diventa zero.

Gittata
sx = 2 · vx · vyg

Vale se partenza e arrivo sono alla stessa altezza e l'attrito è trascurabile.

α v0 h gittata s_x
A parità di velocità iniziale, se partenza e arrivo sono alla stessa altezza e l'attrito è trascurabile, la gittata è massima per 45°.
⚠ Attenzione alle condizioni

Le formule del moto parabolico usate qui valgono trascurando l'attrito dell'aria. Inoltre le formule di gittata, tempo di volo e angolo di massima gittata a 45° valgono nella forma indicata quando il corpo parte e arriva alla stessa altezza. In presenza di attrito la traiettoria non è più una parabola perfetta e la gittata risulta minore.

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La composizione dei moti

Spostamenti · velocità relativa, assoluta e di trascinamento

La composizione degli spostamenti

Definizione

Quando un corpo compie due spostamenti simultanei — per esempio una biglia lanciata sul pavimento di un vagone in movimento — lo spostamento risultante rispetto a terra è la somma vettoriale dei singoli spostamenti:

Δs = Δs′ + Δst
Esempio svolto
La biglia si sposta di 10 m nel verso in cui si muove il treno; nel frattempo il treno si sposta di 15 m. Spostamento rispetto a terra?

Stesso verso: Δs = 10 m + 15 m = 25 m
Verso opposto: Δs = −10 m + 15 m = 5 m

La composizione delle velocità

In simboli

Dividendo gli spostamenti per il tempo si ottiene la legge di composizione delle velocità: la velocità assoluta è la somma vettoriale della velocità relativa e di quella di trascinamento.

v = v′ + vt

v = velocità assoluta (rispetto a terra); v′ = velocità relativa (rispetto al treno); vt = velocità di trascinamento (del treno rispetto a terra).

Esempio svolto
La biglia ha velocità 1,0 m/s rispetto al treno; il treno viaggia a 1,5 m/s, stesso verso. Velocità della biglia rispetto a terra?

v = v′ + vt = 1,0 m/s + 1,5 m/s = 2,5 m/s

Velocità perpendicolari

Teorema di Pitagora

Se la velocità relativa e quella di trascinamento sono perpendicolari, il modulo della velocità assoluta si trova con Pitagora:

v = √(v′2 + vt2)
vt v′ v
La velocità assoluta è la diagonale (ipotenusa).

La composizione delle accelerazioni

Caso del moto uniforme

Se la velocità di trascinamento non cambia e il sistema di riferimento in moto non ruota (per esempio un treno che procede diritto a velocità costante), allora la biglia ha la stessa accelerazione rispetto al treno e rispetto a terra:

a = a′
💡 Da ricordare "Relativa" = rispetto al veicolo in moto; "di trascinamento" = del veicolo rispetto a terra; "assoluta" = rispetto a terra. La velocità assoluta è la somma vettoriale delle altre due: si sommano i moduli solo se hanno la stessa direzione. Per le accelerazioni, la formula semplice a = a′ vale nel caso di trascinamento uniforme e non rotante.
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La mappa dei fondamentali

Tutte le formule dell'unità a colpo d'occhio

Moto circolare uniforme

Velocità
v = 2π·r / T
v = ω·r
Frequenza
f = 1 / T
in hertz (Hz)
Velocità angolare
ω = 2π / T
ω = 2π·f
Acc. centripeta
ac = v²/r
ac = ω²·r

Angoli e moto armonico

Radianti
α = arco / r
adimensionale, si indica rad
Periodo e pulsazione
ω = 2π / T
T = 2π / ω
Legge oraria
s = A·cos(ω·t)
se s(0)=A
Forma generale
s = A·cos(ωt+φ)
φ = fase iniziale
Acc. armonica
a = −ω²·s
Corrispondenze
A↔r · pulsazione↔ω · T↔T

Moto parabolico

Lancio orizzontale
sx = v0·t
sy = ½·g·t²
sy verso il basso
Da altezza h
t = √(2h/g)
sx = v0·t
Componenti (obliquo)
vx=v0·cosα
vy=v0·senα
Velocità verticale
vy(t)=vy−gt
asse positivo verso l'alto
Altezza massima
h = vy²/(2g)
Tempi
tsalita=vy/g
tvolo=2vy/g
Gittata
sx=2vxvy/g
stessa altezza; max 45°

Composizione dei moti

Spostamenti
Δs = Δs′ + Δst
Velocità
v = v′ + vt
Velocità ⊥
v=√(v′²+vt²)
Accelerazioni
a = a′
se vt costante
Strategia generale
  1. Riconosci il tipo di moto: circolare, armonico, parabolico o composizione di moti.
  2. Nel moto circolare, parti sempre da T (o f): da lì ricavi v, ω e ac.
  3. Nel moto parabolico, tratta separatamente il moto orizzontale (uniforme) e quello verticale (accelerato), scegliendo chiaramente il verso positivo dell'asse verticale.
  4. Nella composizione, somma sempre i vettori (con i segni o con Pitagora se perpendicolari), mai i numeri "a occhio".
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Strumenti per allenarti

Calcola e "vedi" il moto nel piano al volo

⟳ Calcolatore del moto circolare uniforme

Inserisci il raggio e scegli se conosci il periodo o la frequenza: ottieni v, ω, ac e l'altra grandezza. Puoi usare la virgola.

raggio r = m periodo T = s
velocità v—
velocità angolare ω—
acc. centripeta ac—
frequenza f—

°↔rad Convertitore gradi ↔ radianti

Scrivi un valore: ottieni la conversione nell'altra unità (1 rad ≈ 57,3°).

gradi °  =  — rad
radianti rad  =  —°

∿ Grafico del moto armonico

Muovi i cursori dell'ampiezza e della pulsazione: vedi la cosinusoide s = A·cos(ω·t) cambiare dal vivo.

ampiezza A = 10 cm pulsazione ω = 1.5 rad/s
t (s) s
Legge oraria

s = 10 · cos(1,5 · t)

Periodo

T = 2π/ω = … s

⌒ Calcolatore del lancio obliquo

Inserisci velocità iniziale e angolo: calcolo componenti, tempo di salita, altezza massima, gittata e tempo di volo (g = 9,8 m/s²). Gittata e tempo di volo valgono se partenza e arrivo sono alla stessa altezza e l'attrito è trascurato.

velocità v0 = m/s angolo α = °
vx (orizzontale)—
vy (verticale)—
tempo di salita—
altezza massima h—
gittata sx—
tempo di volo—

↔ Promemoria rapido

Moto circolare e armonico
  • v = 2π·r/T = ω·r
  • f = 1/T ; ω = 2π/T = 2π·f
  • ac = v²/r = ω²·r
  • moto armonico: s = A·cos(ω·t) se s(0)=A; a = −ω²·s; T = 2π/ω
Parabolico e composizione
  • orizzontale: sx=v0·t ; sy=½·g·t² (verso il basso)
  • da altezza h: t=√(2h/g) ; sx=v0·t
  • obliquo: vx=v0·cosα ; vy=v0·senα
  • tsalita=vy/g ; tvolo=2vy/g ; h=vy²/(2g)
  • gittata=2vxvy/g solo se stessa altezza; max 45°
  • composizione: v = v′ + vt (vettoriale)