Percorso di fisica su cinematica e dinamica, Università La Sapienza

Percorso di Fisica per le Classi 2I e 2M

Percorso di fisica per le classi 2I e 2M concordato con il prof. Giovanni Organtini dell'università "La Sapienza" di Roma Lo scorso anno lo abbiamo dedicato all'introduzione di temi e metodi della fisica, al concetto di stato di equilibrio, alla scrittura e lettura di leggi fisiche (limitandoci alle sole proporzionalità diretta e inversa) alla lettura dei coefficienti di proporzionalità in una legge fisica, al lavoro a variabili separate necessario per ricavare una legge da dati sperimentali, al fatto che ogni misura va indicata con l'incertezza corrispondente. Ti rimando al file già condiviso (Report) per un riepilogo delle attività svolte.

Fenomeni di Riscaldamento e Moto

Per proseguire il nostro percorso ripartiamo dall'osservazione che un corpo si 'scalda' (cioè aumenta di temperatura) o se posto a contatto con qualcosa a temperatura superiore o se coinvolto in fenomeni in cui il moto di qualcosa viene frenato: corpi al sole aumentano di temperatura perché frenano i raggi solari, le mani sfregate fra di loro aumentano di temperatura e c'è chiaramente qualcosa che frena le mani quando scorrono l'una sull'altra. Per tentare di spiegare gli ultimi due fenomeni seguiremo il seguente percorso: studio di moti semplici, definizione dell'energia meccanica, forze e principi della dinamica, lavoro di una forza, teorema dell'energia cinetica, equivalenza tra calore e lavoro.

Cinematica: Studio Descrittivo del Moto

Leggi Fisiche e Linguaggio Matematico

Cinematica (studio descrittivo del moto) di un punto materiale Studiare un fenomeno fisico significa scrivere leggi (erroneamente dette formule) che esprimono le relazioni tra le grandezze che caratterizzano il fenomeno. Le leggi fisiche sono scritte in linguaggio matematico simbolico sono un racconto, compatto e sintetico, di quel fenomeno. Qualche parola di spiegazione e qualche disegno completeranno il racconto. Ma sono le leggi che contengono le informazioni essenziali: saperle leggere è fondamentale per chi studia fisica. Saperle scrivere, poi, alla fine di un percorso fatto di ragionamenti e di esperimenti, significa fare fisica. Per arrivare a scrivere le leggi che descrivono un fenomeno devi: individuare le grandezze che caratterizzano il fenomeno, fare esperimenti (in cui misuri come varia una grandezza variandone le altre, una alla volta - cioè lavori a variabili separate) e capire quali relazioni legano le misure che hai preso.

Indagine sul Moto e Grandezze Coinvolte

Volendo studiare un moto, se cerchiamo le grandezze in gioco scopriamo presto che la situazione è ingarbugliata. Facciamo un'esperienza in aula per indagarla.

Esperimento 1: Scivolamento e Caduta Oggetti

ESP1 [in laboratorio o in aula, a scuola: necessario un ripiano rigido per banco e oggetti di diversi materiali e forma, tutti infrangibili] poggia uno degli oggetti che hai portato sul tuo ripiano rigido. Vicino al bordo. Solleva questa parte del ripiano e osserva cosa accade all'oggetto: se non scivola perché non scivola, secondo te? Cosa puoi fare per farlo scivolare? Rotola? Che traiettoria segue? Ora prova a lasciar cadere due alla volta gli oggetti che hai portato, da un'altezza di circa 2m: cosa osservi? Secondo te c'è un legame di qualche tipo tra lo scivolamento lungo un piano inclinato e la caduta? Argomenta.

Semplificazione dello Studio del Moto

Spero ti sia convint* che è meglio procedere per sottrazione: eliminando tutte le grandezze non essenziali e partendo dal caso più semplice possibile. Da questa esperienza dovremmo concludere che la situazione più semplice da studiare è quella in cui i corpi NON rotolano, vanno dritti e si muovono 'spontaneamente'.

Moti Rettilinei e Forze

1Cominceremo quindi con lo studiare moti di punti materiali su traiettoria dritta (rettilinei) sotto l'azione della forza di gravità (o forza peso) e, al più, dell'attrito radente. Cercheremo di ridurre al minimo l'attrito viscoso dell'aria perché quello complicherebbe le cose. Per convincerci del ruolo che l'attrito viscoso ha nei fenomeni di caduta e per convincerci che la massa di un corpo NON influisce nel tempo di caduta, da una stessa altezza, in assenza di attrito vediamo assieme questo filmato strabiliante.

Definizioni Fondamentali in Fisica

Significato di Parole-Concetto

Prima di cominciare a fare esperimenti devo specificare il significato di alcune parole- concetto. Alcune di quelle che ho scritto in corsivo e qualcuna di più. È fondamentale che ti siano chiari i concetti espressi da tali parole e che, una volta compresi, impari a memoria le seguenti definizioni.

Punto Materiale

DEF punto materiale: un corpo che NON rotola in nessuna direzione e per il quale posso fare finta che tutta la massa sia concentrata in un punto. [A volte si considera punto materiale anche un oggetto che ruota attorno a un proprio asse, se si osserva da lontano e se la rotazione avviene lentamente rispetto alla traslazione. Per esempio la Terra nel suo moto di rivoluzione attorno al Sole] ESS Corpi in caduta libera utilizzati durante ESP2 (quelli che cadevano o scivolavano senza ruotare attorno a un asse), un'automobile ferma o che cammina normalmente (cioè che non va in testacoda), tu che cammini normalmente (senza fare piroette), ecc CONTRESS una pallina che rotola, la ruota di un'automobile in moto, una danzatrice che fa piroette, una trottola che gira, ecc GO: Si osserva che la descrizione del moto di una cosa, anche grande, che scivola o viaggia nel vuoto, senza ruotare, coincide con la descrizione del moto di ogni suo punto, quindi basta sceglierne uno (il punto materiale) per descriverlo

Sistema di Riferimento

Per studiare un moto è fondamentale stabilire in quale Sistema di Riferimento (SdR) spaziale si studia e in quale SdR temporale.

Istante di Tempo

DEF istante di tempo in cui accade un certo fenomeno: quello indicato dal cronometro che si trova più vicino possibile al luogo in cui avviene il fenomeno [Attenzione: rispetto a un tempo 0, di inizio dello studio del fenomeno stesso: vedi ESS seguenti]. ESS Un qualunque orario segnato da un orologio o da un cronometro: nel corso di esperimenti di laboratorio [in questi è ciascuno gruppo a stabilire il tempo 0] o l'orario di partenza di un treno [in questo caso lo 0 è convenzionale per tutte le persone che si trovano all'interno dello stesso fuso orario e coincide con la mezzanotte].

Intervallo di Tempo

DEF intervallo di tempo in cui avviene un fenomeno: differenza tra istante di tempo in cui smettiamo di studiare il fenomeno (istante finale) e istante di tempo in cui iniziamo a studiare il fenomeno (istante iniziale): At = tf - ti. Un sinonimo di intervallo di tempo è la parola: durata. ESS La differenza tra due istanti di tempo qualunque. Per esempio tra l'orario di arrivo di un treno e l'orario di partenza. A differenza degli istanti di tempo, gli intervalli sono indipendenti dal SdR. Almeno in fisica classica.

Posizione di un Punto Materiale

DEF posizione che un punto materiale occupa, in un certo istante di tempo: coordinate del punto in cui si trova il punto materiale nel SdR spaziale scelto. 2Attenzione, come spiegato meglio nel paragrafo successivo, le grandezze fisiche che vanno indicate mediante coordinate si chiamano grandezze vettoriali. ESS Le coordinate di un punto materiale in un SdR fisico coincidono con la posizione di quel punto materiale. Ma si possono utilizzare anche altri tipi di coordinate. La localizzazione sul cellulare, per esempio, è data seguendo il sistema GPS, che sincronizza le coordinate geografiche con il fuso orario corrispondente.

Studio del Moto

DEF studio del moto di un punto materiale: studio dell'eventuale cambiamento di posizione nel tempo. ESS Qualunque cosa non occupi la stessa posizione in un SdR è in moto in quel SdR. Attenzione perché il concetto di moto è relativo al SdR in cui si studia: se sei sedut* in un treno che cammina, rispetto al treno sarai ferm* ma rispetto alle rotaie sarai in moto.

Traiettoria di un Punto Materiale

DEF traiettoria di un punto materiale: linea che unisce tutte le posizioni occupate negli istanti di tempo compresi tra l'istante iniziale e l'istante finale, estremi inclusi. ESS Come detto a lezione, a volte la traiettoria di un moto si può stabilire solo a posteriori: se per esempio lanci un aeroplanino di carta, non sai che traiettoria seguirà. Un treno, invece, salvo incidenti segue i binari su cui è vincolato a stare, quindi la sua traiettoria può essere stabilita a priori. E ci sono situazioni intermedie: in una gara di corsa, o di ciclismo, il tragitto è prestabilito, ma ogni partecipante seguirà una traiettoria personale.

Spostamento di un Punto Materiale

DEF spostamento di un punto materiale, in un intervallo di tempo: differenza tra posizione finale (occupata nell'istante di tempo finale) e posizione iniziale (occupata nell'istante di tempo iniziale). ESS Essendo abituata alle parole della fisica non mi ero resa conto, prima di V3-FIS che questa parola, nel linguaggio naturale, è spesso utilizzata come sinonimo di moto. In fisica, invece, è un vettore (una freccia) con la coda nella posizione iniziale e la punta nella posizione finale. Come mostrato a pag 4.

Distanza Percorsa

DEF distanza percorsa da un punto materiale: misura della lunghezza della traiettoria percorsa. A differenza dello spostamento, che può anche avere segno negativo [cfr pag 4], la distanza è sempre positiva. Solo per moti rettilinei, per i quali la traiettoria è un segmento, la distanza è l'intensità (o modulo) dello spostamento. ESS Se vai dal tuo letto alla sedia che occupi a scuola, la distanza che percorri è la misura della traiettoria che segui. Lo spostamento complessivo, invece, è una freccia con la coda nel tuo letto e punta sulla sedia che occupi a scuola. Se parti da casa per fare diversi giri e poi torni a casa, percorrerai certo una distanza non nulla (che per esempio puoi misurare usando il contapassi del telefono). Ma poiché la posizione finale e la posizione iniziale coincidono, il tuo spostamento complessivo sarà nullo.

Differenze tra Concetti Fisici

Attenzione1 i concetti di posizione e di spostamento sono molto differenti tra loro: i libri non aiutano: utilizzano la lettera s per la posizione e la parola 'spazio' per lo spostamento. Però lo scorso anno abbiamo visto che differenza c'è tra temperatura T e dislivello (differenza, variazione, ecc) di temperatura AT, no? Il concetto è lo stesso. Attenzione2 i concetti di spostamento e distanza sono molto differenti tra loro: il primo è un vettore, la seconda è uno scalare; il primo può essere negativo o positivo, la seconda è solo positiva. Solo nei moti rettilinei l'intensità dello spostamento è uguale alla distanza. 3