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Dinamica

Dinamica

Perché quando spingiamo un oggetto, questo si muove? E perché quando spingiamo una palla lungo una salita questa torna indietro? Questi sono tutti effetti delle forze che agiscono su un oggetto e la dinamica è la materia che studia gli effetti delle forze sul moto degli oggetti. Vediamolo insieme!

Dinamica: definizione

Se la cinematica è lo studio del moto di un oggetto, la dinamica studia le cause del moto. In particolare, la dinamica cerca di legare gli effetti delle forze sugli oggetti e come queste causino il moto che si studia con le leggi affrontate nella cinematica.

La dinamica è quella branca della meccanica che si occupa di studiare le cause del moto degli oggetti.

La dinamica quindi si occupa di prendere una determinata situazione fisica che interessa uno o più oggetti, considerare le forze in gioco e le interazioni tra gli ogetti e descriverne il moto a partire da questa analisi.

Forza

Come abbiamo detto, il concetto di forza è estremamente importante, poiché è la causa del moto che poi viene osservato. Vediamo anzitutto cos'è una forza:

Per forza si intende qualsiasi influenza in grado di modificare la posizione, la velocità e lo stato di un oggetto.

Quindi la forza può essere definita come una "spinta" o un'attrazione che agisce su un oggetto. La forza può mettere un oggetto in moto, oppure può fermarlo da uno stato di moto. Nell'articolo sulla forza vedremo che si tratta di una grandezza vettoriale, perciò direzione, verso e intensità sono tutte quantità importanti per comprendere una forza.

Principi della dinamica

La dinamica si basa su tre importanti leggi fisiche descritte per la prima volta da Isaac Newton nel Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Questi tre principi chiamati principi della dinamica o leggi di Newton legano cause ed effetti del moto.

Un'importante specifica è che queste leggi valgono in sistemi di riferimento inerziali (ovvero quelli in cui vale il primo principio), motivo per cui molto spesso la dinamica che andiamo a vedere in questi articoli è chiamata maccanica newtoniana.

Questi principi cadono anche a velocità vicine a quella della luce, in questo caso è necessario osservare la fisica sotto la lente della relatività ristretta.

Dinamica Isaac Newton StudySmarterFig. 1 - Ritratto di Isaac Newton

Primo principio della dinamica

Il primo principio della dinamica recita:

Un corpo fermo o in equilibrio, rimarrà fermo o si muoverà di moto rettilineo uniforme finché una forza esterna non agisce, alterando questo stato.

Questo principio descrive quella che nel quotidiano chiamiamo inerzia, ovvero se un oggetto è fermo, per metterlo in moto dobbiamo spingerlo, mentre se è in moto, per fermarlo, doppiamo metterci della forza. Inoltre, se non agiamo attivamente con una forza sull'oggetto, questi rimarrà nel suo stato: se è fermo, rimarrà fermo, se si muove, deve necessariamente muoversi di moto rettilineo uniforme (poiché gli altri tipi di moto richiedono l'applicazione di una forza).

Secondo principio della dinamica

Come abbiamo detto, per imporre ad un oggetto un'accelerazione, è necessario esercitare una forza. Il secondo principio della dinamica dice esattamente questo:

Una forza applicata ad un corpo provoca un'accelerazione del corpo nella direzione della forza. Questa accelerazione è direttamente proporzionale alla forza applicata e inversamente proporzionale alla massa del corpo.

In termini matematici, questo può essere riscritto come una delle equazioni più famose e conosciute di sempre:

\[\vec{F} = m\vec{a}\]

Terzo principio della dinamica

Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e opposta.

Non è solo un detto popolare, ma anche un'importante legge della fisica. Questo principio ci dice che quando spingiamo un oggetto, a nostra volta veniamo spinti indietro dall'oggetto. È il motivo per cui non sprofondiamo nel pavimento sotto il nostro peso: noi impartiamo una forza (il peso) al pavimento e il pavimento, di contro, ci "spinge" in alto.

Energia e lavoro

Anche energia e lavoro sono argomenti di studio della dinamica, tuttavia, vista l'importanza dell'argomento, verranno trattati in una loro sezione apposita. Negli articoli su energia e lavoro si va più a fondo nei concetti di energia cinetica, potenziale, del lavoro di una forza, della potenza fisica e di molte altre importanti grandezze fisiche!

Dinamica: alcune applicazioni

Negli articoli dedicati alla dinamica troverete tante applicazioni e sistemi che vengono studiati dalla dinamica. Qui presentiamo due dei più importanti con una breve descrizione, rimandando agli articoli dedicati per la trattazione completa.

Oscillatore armonico semplice

L'oscillatore armonico è uno dei più potenti modelli fisici a nostra disposizione. L'idea è quella di un corpo collegato ad una molla e libero di oscillare attorno all'equilibrio.

Dinamica Oscillatore armonico StudySmarterFig. 2 - Una massa attaccata ad una molla libera di oscillare è un tipo di oscillatore armonico.

Questo semplice modello è in realtà un'ottima approssimazione per una buona parte di fenomeni. Un esempio di causa del moto armonico di un oscillatore armonico semplice è la legge di Hooke, che vedremo valere

\[\vec{F} = -k \vec{x}\]

questa equazione lega la forza di ritorno che agisce sulla massa ad una costante elestica della molla e dipende dallo spostamento della massa.

Pendolo semplice

Il pendolo semplice è un altro esempio di moto periodico. Un pendolo è un peso collegato a un punto fisso e oscilla liberamente sotto la forza di gravità. L'interesse nello studio del pendolo è proprio la sua semplicità.

Dinamica Pendolo semplice StudySmarterFig. 3 - Esempio di moto di un pendolo semplice

Il moto del pendolo semplice è un altro esempio di moto armonico semplice, perché la massa oscilla tra due punti di massimo distanza dal punto di equilibrio.

Dinamica - Key takeaways

  • La dinamica è quella branca della meccanica che si occupa di studiare le cause del moto degli oggetti.
  • Per forza si intende qualsiasi influenza in grado di modificare la posizione, la velocità e lo stato di un oggetto.
  • La dinamica si basa su tre importanti leggi fisiche: i tre principi della dinamica.
  • Il primo principio della dinamica recita: Un corpo fermo o in equilibrio, rimarrà fermo o si muoverà di moto rettilineo uniforme finché una forza esterna non agisce, alterando questo stato.
  • Il secondo principio della dinamica dice: Una forza applicata ad un corpo provoca un'accelerazione del corpo nella direzione della forza. Questa accelerazione è direttamente proporzionale alla forza applicata e inversamente proporzionale alla massa del corpo.
  • Il terzo principio della dinamica può essere riassunto con: Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e opposta.
  • Anche energia e lavoro sono ambiti di studio della dinamica.
  • Alcuni esempi di sistemi dinamici sono l'oscillatore armonico e il pendolo semplice.

References

  1. Fig. 2 - Easy harmonic oscillator.gif (https://it.wikipedia.org/wiki/File:Easy_harmonic_oscillator.gif) by Ivan Airola (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Ivan_Airola) is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.it)

Domande frequenti riguardo Dinamica

Il principio di inerzia, o primo principio della dinamica, afferma che Un corpo fermo o in equilibrio, rimarrà fermo o si muoverà di moto rettilineo uniforme finché una forza esterna non agisce, alterando questo stato. 

La forza di reazione vincolare è uguale alla forza che un corpo agisce sul vincolo, ma contraria in verso. Per calcolarla bisogna quindi calcolare la somma delle forze che l'oggetto imprime sul vincolo.

Un punto materiale è un corpo in cui le dimensioni si considerano trascurabili nei confronti del problema studiato.

Quiz Finale Dinamica

Domanda

Cos'è un pendolo?

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Risposta

Un pendolo è un peso collegato a un punto fisso e oscilla liberamente sotto la forza di gravità.


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Domanda

Cos'è un pendolo semplice?

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Risposta

Un pendolo semplice è un pendolo ideale in cui tutta la massa si trova nel punto materiale all'estremità. La linea che collega il punto materiale al punto fisso non può allungarsi e non ha massa.

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Domanda

Quando si può usare l'approssimazione per angoli piccoli?

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Risposta

Convenzionalmente, quando l'angolo è minore di 15°.

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Domanda

Vero o Falso: il periodo è l'inverso della frequenza.

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Risposta

Vero

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Domanda

Qual è un'applicazione del pendolo semplice?

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Risposta

La giostra della nave pirata, un'altalena, un metronomo, una palla da demolizione...

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Domanda

Vero o Falso: la forza di ritorno è proporzionale alla massa.

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Risposta

Vero

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Domanda

Cosa misura la frequenza?

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Risposta

La frequenza misura il numero di oscillazioni di un evento periodico in un'unità di tempo.


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Domanda

Cosa misura il periodo?

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Risposta

Il tempo che si impiega a compiere un ciclo completo del moto.

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Domanda

A quale tipo di moto è paragonabile quello del pendolo semplice?

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Risposta

Al moto armonico semplice.

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Domanda

Cosa si intende per forza?

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Risposta

Per forza si intende qualsiasi influenza in grado di modificare la posizione, la velocità e lo stato di un oggetto.


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Domanda

Cosa dice la seconda legge di Newton?

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Risposta

L'accelerazione prodotta in un oggetto in movimento è direttamente proporzionale alla forza che agisce su di esso e inversamente proporzionale alla massa dell'oggetto.

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Domanda

Qual è l'unità di misura della forza?

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Risposta

Il Newton (N)

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Domanda

La forza è una quantità

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Risposta

Vettoriale

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Domanda

Quali sono i tipi di forza?

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Risposta

Forze di contatto e a distanza

Visualizza la domanda

Domanda

Quali sono le forze di contatto più importanti?

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Risposta

Reazione vincolare e forza d'attrito.

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Domanda

Cosa dice la prima legge di Newton?

Visualizza la risposta

Risposta

Un oggetto continua a trovarsi in uno stato di riposo o a muoversi con velocità uniforme finché una forza esterna non agisce su di esso.

Visualizza la domanda

Domanda

Cosa dice la terza legge di Newton?

Visualizza la risposta

Risposta

Ad ogni forza equivale una reazione uguale e opposta.

Visualizza la domanda

Domanda

Vero o Falso: la gravità è una forza di contatto.

Visualizza la risposta

Risposta

Falso

Visualizza la domanda

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