Converti le unità: nm, mm e cm in m, e controlla se gli angoli sono misurati dalla normale.
Controlla segni e plausibilità: un’immagine virtuale ha dᵢ < 0, una sorgente che si avvicina suona più acuta, un tubo chiuso ha solo armoniche dispari.
2Esercizi
1.CinematicaMedia
Un’auto che viaggia a una velocità costante di 35 m/s supera un’auto della polizia ferma. In quell’istante l’auto della polizia parte e accelera uniformemente a 6 m/s². Quanto tempo impiega l’auto della polizia a raggiungerla? Trova t.
vcar = 35 m/sapolice = 6 m/s²v0,police = 0
t = s
2.CinematicaDifficile
Una palla viene lanciata verticalmente verso l’alto a 6 m/s dal bordo di un tetto a 40 m dal suolo. Trascura la resistenza dell’aria e usa g = 9,81 m/s². Quanto tempo dopo il lancio tocca il suolo? Trova t.
v₀ = 6 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Principi della dinamicaMedia
Un blocco di 18 kg scivola lungo un pendio inclinato di 20° sull’orizzontale. Il coefficiente di attrito dinamico è 0,15. Usa g = 9,81 m/s². Trova l’accelerazione a del blocco lungo il pendio.
m = 18 kgθ = 20°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Principi della dinamicaDifficile
Un blocco di 6,5 kg su un tavolo orizzontale è collegato, tramite un filo leggero che passa su una carrucola senza attrito, a una massa appesa di 2 kg. Il tavolo è privo di attrito. Usa g = 9,81 m/s². Trova la tensione T nel filo.
m1 = 6,5 kgm2 = 2 kgμ = 0g = 9,81 m/s²
T = N
5.Moto del proiettileMedia
Una palla viene lanciata da un terreno piano a 32 m/s e deve atterrare a 50 m di distanza. Trascura la resistenza dell’aria e usa g = 9,81 m/s². Trova il minore dei due possibili angoli di lancio θ.
v₀ = 32 m/sR = 50 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Moto del proiettileDifficile
Una palla viene lanciata dal livello del suolo a 35 m/s e 45° sopra l’orizzontale. Atterra sul tetto piano di un edificio alto 17 m, mentre scende. Trascura la resistenza dell’aria e usa g = 9,81 m/s². Trova la distanza orizzontale x dal punto di lancio al punto di atterraggio.
v₀ = 35 m/sθ = 45°hroof = 17 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Lavoro ed energiaMedia
Una pallina di 10 kg è appesa a un filo leggero di lunghezza 0,8 m. Viene spostata lateralmente finché il filo forma 40° con la verticale e lasciata da ferma. Trova la tensione T nel filo quando la pallina passa per il punto più basso.
m = 10 kgL = 0,8 mθ = 40°g = 9,81 m/s²
T = N
8.Lavoro ed energiaDifficile
Un blocco di 4 kg viene lasciato da fermo all’altezza 3,5 m su una rampa liscia. In fondo attraversa una striscia orizzontale ruvida lunga 5 m (μ = 0,15) e poi arriva contro una molla (k = 2500 N/m) su una superficie liscia. Trova la compressione massima x della molla.
m = 4 kgh = 3,5 mL = 5 mμ = 0,15k = 2500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Quantità di moto e urtiMedia
Un proiettile di 20 g viene sparato orizzontalmente in un blocco di legno di 3,5 kg appeso a fili leggeri, e vi resta conficcato. Il blocco oscilla verso l’alto finché si trova 9 cm più in alto rispetto all’inizio. Usa g = 9,81 m/s². Trova la velocità v del proiettile prima dell’impatto.
m = 20 gM = 3,5 kgh = 9 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Quantità di moto e urtiDifficile
Un proiettile di 12 g viene sparato orizzontalmente in un blocco di 4 kg appeso a fili leggeri lunghi 1,3 m, e vi resta conficcato. I fili oscillano fino a un angolo massimo di 40° dalla verticale. Usa g = 9,81 m/s². Trova la velocità v del proiettile prima dell’impatto.
m = 12 gM = 4 kgL = 1,3 mθ = 40°g = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Spinta idrostaticaMedia
Una paratoia rettangolare verticale larga 1 m si trova nella parete di un serbatoio di acqua, con il bordo superiore 3 m sotto la superficie. Trova la forza idrostatica risultante F sulla paratoia.
Una paratoia rettangolare verticale larga 1 m si trova nella parete di un serbatoio di acqua di mare, con il bordo superiore 2 m sotto la superficie. Trova la forza idrostatica risultante F sulla paratoia.
d = 2 mH = 3 mb = 1 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Continuità e BernoulliMedia
L’acqua scorre in un tubo orizzontale che si restringe da 75 mm a 25 mm. Nel tratto largo la pressione è 190 kPa e la velocità è 1,5 m/s. Trascurando le perdite, trova la pressione p2 nel tratto stretto.
L’acqua sale in un tubo che si restringe da 150 mm a 75 mm salendo di 1 m. Nella sezione 1 la pressione è 240 kPa e la velocità è 2,75 m/s. Trascurando le perdite, trova la pressione p2 nella sezione 2.
Una macchina termica lavora tra un serbatoio caldo a 300 °C e un serbatoio freddo a 25 °C. Trova il massimo rendimento termico possibile ηmax.
TH = 300 °CTL = 25 °C
ηmax = %
18.Macchine termiche e frigorifereDifficile
Una pompa di calore mantiene una casa a 21 °C mentre fuori ci sono 7 °C, fornendo 13 kW di calore alla casa. Trova la potenza minima in ingresso Ẇmin.
TH = 21 °CTL = 7 °CQ̇H = 13 kW
Ẇmin = kW
19.Onde, suono e otticaMedia
Una piccola sorgente emette suono in modo uguale in tutte le direzioni. Il livello è 60 dB a 1 m da essa. Trova il livello β2 a 4 m, trascurando assorbimento e riflessioni.
β1 = 60 dBr1 = 1 mr2 = 4 m
β2 = dB
20.Onde, suono e otticaDifficile
Un reticolo di diffrazione ha 600 linee per millimetro. Luce di lunghezza d’onda 633 nm lo colpisce ad angolo retto. Qual è il massimo ordine mmax di massimo luminoso che si può vedere?
N = 600 mm⁻¹λ = 633 nm
mmax =
3Soluzioni
1.Cinematica
Risposta: t = 11,67 s
Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.
Distanze uguali
v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·35/6 = 11,67 s
Risposta
t = 11,67 s
In quell’istante l’auto della polizia viaggia a 2v = 70 m/s.
2.Cinematica
Risposta: t = 3,532 s
Moto uniformemente accelerato: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² e v² = v₀² + 2·a·s. Scegli l’equazione che contiene le tre grandezze che conosci e quella che cerchi, e mantieni i segni coerenti con un unico verso positivo.
Equazione del moto
Verso l’alto è positivo e il suolo si trova h₀ sotto il punto di partenza.
−40 = 6·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 6·t − 40 = 0
Risolvi l’equazione di secondo grado
Solo la radice positiva ha significato fisico.
t = (6 + √(6² + 2·9,81·40))/9,81 = 3,532 s
Risposta
t = 3,532 s
3.Principi della dinamica
Risposta: a = 1,972 m/s²
Secondo principio della dinamica: la forza risultante su un corpo è uguale alla sua massa per la sua accelerazione, ΣF = m·a. Disegna un diagramma di corpo libero, scegli un verso positivo lungo il moto e somma tutte le forze in quella direzione: forze applicate, attrito μ·N opposto al moto e componenti della forza peso.
Secondo principio della dinamica: la forza risultante su un corpo è uguale alla sua massa per la sua accelerazione, ΣF = m·a. Disegna un diagramma di corpo libero, scegli un verso positivo lungo il moto e somma tutte le forze in quella direzione: forze applicate, attrito μ·N opposto al moto e componenti della forza peso.
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Formula della gittata
R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·50/32² = 0,479
Angolo
2θ = 28,62° → θ = 14,31°
Risposta
θ = 14,31°
L’altra soluzione è 90° − θ = 75,69°.
6.Moto del proiettile
Risposta: x = 104,6 m
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Scomponi la velocità di lancio
vx = 24,75 m/s, vy = 24,75 m/s
Tempo di atterraggio sul tetto
Radice maggiore: la palla sta scendendo.
17 = 24,75·t − 4,905·t²
t = (24,75 + √(24,75² − 2·9,81·17))/9,81 = 4,225 s
Distanza orizzontale
x = vx·t = 24,75·4,225 = 104,6 m
Risposta
x = 104,6 m
7.Lavoro ed energia
Risposta: T = 144 N
Teorema dell’energia cinetica: la variazione di energia cinetica è uguale al lavoro di tutte le forze. Scrivendo gravità e molle come energia potenziale (mgh e ½kx²) si ottiene un bilancio: energia iniziale = energia finale + energia persa per attrito (μN·d). Su una traiettoria circolare la forza risultante verso il centro deve essere uguale a mv²/r.
Velocità nel punto più basso
v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9,81·0,8·(1 − cos 40°) = 3,672 m²/s²
Forze nel punto più basso
m·g = 10·9,81 = 98,1 N
T = mg + mv²/L = 98,1 + 10·3,672/0,8 = 144 N
Risposta
T = 144 N
Verifica: T = mg(3 − 2cos θ) = 144 N.
8.Lavoro ed energia
Risposta: x = 29,38 cm
Teorema dell’energia cinetica: la variazione di energia cinetica è uguale al lavoro di tutte le forze. Scrivendo gravità e molle come energia potenziale (mgh e ½kx²) si ottiene un bilancio: energia iniziale = energia finale + energia persa per attrito (μN·d).
Energia rimasta dopo la striscia ruvida
La rampa è liscia, quindi solo la striscia toglie energia.
mgh − μmgL = 39,24·(3,5 − 0,15·5) = 107,9 J
Compressione massima
½kx² = 107,9 → x = √(2·107,9/2500) = 0,2938 m = 29,38 cm
Risposta
x = 29,38 cm
9.Quantità di moto e urti
Risposta: v = 233,9 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Oscillazione dopo l’impatto
V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,09) = 1,329 m/s
Urto
m·v = (m + M)·V → v = (0,02 + 3,5)·1,329/0,02 = 233,9 m/s
Risposta
v = 233,9 m/s
10.Quantità di moto e urti
Risposta: v = 816,7 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Sollevamento del blocco
h = L·(1 − cos θ) = 1,3·(1 − cos 40°) = 0,3041 m
Velocità dopo l’impatto
V = √(2·9,81·0,3041) = 2,443 m/s
Urto
v = (m + M)·V/m = 4,012·2,443/0,012 = 816,7 m/s
Risposta
v = 816,7 m/s
11.Spinta idrostatica
Risposta: F = 104,2 kN
Forza idrostatica su una superficie piana: F = ρ·g·yc·A. Agisce nel centro di spinta, ycp = yc + Ic/(ycA), che si trova sempre sotto il baricentro.
Profondità del baricentro e area
yc = d + H/2 = 3 + 2,5/2 = 4,25 m
A = H·b = 2,5·1 = 2,5 m²
Forza risultante
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,25·2,5 = 104,2 kN
Risposta
F = 104,2 kN
12.Spinta idrostatica
Risposta: F = 105,6 kN
Forza idrostatica su una superficie piana: F = ρ·g·yc·A. Agisce nel centro di spinta, ycp = yc + Ic/(ycA), che si trova sempre sotto il baricentro.
Profondità del baricentro e area
yc = d + H/2 = 2 + 3/2 = 3,5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Forza risultante
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·3,5·3 = 105,6 kN
Risposta
F = 105,6 kN
13.Continuità e Bernoulli
Risposta: p2 = 100 kPa
Continuità e Bernoulli: per un fluido incomprimibile la portata è la stessa in ogni sezione, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Lungo una linea di flusso senza perdite, p + ½ρv² + ρgz è costante, quindi dove il fluido è più veloce o più in alto la sua pressione è minore.
Continuità e Bernoulli
Lavora in Pa, poi dividi per 1000 per ottenere kPa.
Continuità e Bernoulli: per un fluido incomprimibile la portata è la stessa in ogni sezione, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Lungo una linea di flusso senza perdite, p + ½ρv² + ρgz è costante, quindi dove il fluido è più veloce o più in alto la sua pressione è minore.
Continuità e Bernoulli
Lavora in Pa, poi dividi per 1000 per ottenere kPa.
Legge combinata dei gas: per una quantità fissa di gas ideale, P1V1/T1 = P2V2/T2.
Temperature assolute
T1 = 303,1 K, T2 = 393,1 K
Legge combinata dei gas
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(300/450)·(393,1/303,1) = 1,729 L
Risposta
V2 = 1,729 L
17.Macchine termiche e frigorifere
Risposta: ηmax = 47,98 %
Limiti del secondo principio: nessun ciclo che lavora tra serbatoi alle temperature assolute TH e TL può superare il ciclo reversibile (di Carnot): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) e COPHP,max = TH/(TH − TL). L’energia si conserva sempre: QH = W + QL.
Temperature assolute
TH = 300 + 273,15 = 573,1 K
TL = 25 + 273,15 = 298,1 K
Rendimento di Carnot
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 298,1/573,1 = 47,98 %
Risposta
ηmax = 47,98 %
18.Macchine termiche e frigorifere
Risposta: Ẇmin = 0,6187 kW
Limiti del secondo principio: nessun ciclo che lavora tra serbatoi alle temperature assolute TH e TL può superare il ciclo reversibile (di Carnot): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) e COPHP,max = TH/(TH − TL). L’energia si conserva sempre: QH = W + QL.
Il lavoro minimo serve a una macchina reversibile, che ha il COP più alto.
Ẇmin = Q̇H/COP = 13/21,01 = 0,6187 kW
Risposta
Ẇmin = 0,6187 kW
19.Onde, suono e ottica
Risposta: β2 = 47,96 dB
Onde: un’onda periodica avanza di una lunghezza d’onda in un periodo, quindi v = fλ con T = 1/f. Su una corda tesa v = √(T/μ), con T la tensione e μ = m/L la massa per metro. Il suono nell’aria viaggia a circa 343 m/s a 20 °C, la luce nel vuoto a c = 3,00 × 10⁸ m/s. La sonorità si misura su una scala logaritmica: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB con I₀ = 10⁻¹² W/m², quindi un’intensità 10 volte maggiore aggiunge 10 dB. Una sorgente puntiforme distribuisce la sua potenza P su una sfera: I = P/(4πr²).
Rapporto delle intensità
I₂/I₁ = (1/4)² = 0,0625
Nuovo livello
β₂ = 60 + 10·log₁₀(0,0625) = 47,96 dB
Risposta
β2 = 47,96 dB
Ogni raddoppio della distanza abbassa il livello di circa 6 dB.
20.Onde, suono e ottica
Risposta: mmax = 2
Interferenza e diffrazione: la luce proveniente da due fenditure a distanza d raggiunge un punto dello schermo con una differenza di cammino d·sin θ. Le frange luminose compaiono dove d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Per uno schermo a distanza L ≫ d, la m-esima frangia luminosa si trova in y = mλL/d e la distanza tra le frange è Δy = λL/d. Un reticolo con N linee per millimetro ha d = 1/N e massimi nitidi in d·sin θ = mλ; poiché sin θ ≤ 1, l’ordine massimo è il più grande intero m ≤ d/λ. Una fenditura singola di larghezza a ha frange scure in a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …