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Meccanica razionale/Dinamica/Sistemi di punti

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Indice del libro

equazioni del moto per un sistema di punti e teorema del baricentro

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Se consideriamo un sistema S di punti materiali, e sia mi la massa e vi→ la velocità del generico punto mi, l'equazione del moto per questo punto può esere scritta:

(6)
ddt(mivi→)=Fe→+Fi→

Essendo Fe→ la forza esterna applicata a questo punto mentre Fi→ è il risultante di tutte le azioni che i punti circostanti esercitano sul punto considerato. Se scriviamo la precedente equazione per tutti i vari punti avremo n equazioni vettoriali che sommate si riducono alla unica

(7)
ddt(∑mivi→)=∑Fe→+∑Fi→

Questa equazione proiettata in tre assi dà le seguenti tre equazioni scalari:

(8)
ddt(∑mixi˙)=∑Xi+∑Xe
ddt(∑miyi˙)=∑Yi+∑Ye
ddt(∑miZi˙)=∑Zi+∑Ze

Ma il risultante delle forze interne per il principio di azione e reazione è un sistema nullo, cioè ∑Xi=∑yi=∑Zi=0, in quanto le forze interne a due a due costituiscono dei sistemi nulli.

Allora le equazioni (8) divengono:

ddt(∑mixi˙)=∑Xe
ddt(∑miyi˙)=∑Ye
ddt(∑mizi˙)=∑Ze

Ricordando la definizione di baricentro di un sistema di masse cioè come quel punto G tale che le sue coordinate sono date dalle seguenti espressioni:

xG=∑mixi∑mi
yG=∑miyi∑mi
zG=∑mizi∑mi

e considerando  mi=cost

(∑mi)xG˙=∑mixi˙
(∑mi)yG˙=∑miyi˙
(∑mi)zG˙=∑mizi˙

E tenendo conto che la massa totale del sistema è data da M=∑mi si ottengono le tre seguenti equazioni

ddt(MxG˙)=∑Xe
ddt(MyG˙)=∑Ye
ddt(MzG˙)=∑Ze

da cui deriva il teorema fondamentale del baricentro. Cioè che il baricentro del sistema si muove come un punto materiale avente la massa totale  M del sistema e su cui agisce una forza eguale alla somma vettoriale delle forze agenti su tutti i vari punti di massa.

Concludendo possiamo dire che se  Q è la quantità di moto totale del sistema dato da

Q→=∑i=1nmivi

il teorema della quantità di moto si esprime dicendo che il derivato delle quantità di moto è uguale al risultante delle sole forze esterne applicate al sistema, cioè

dQ→dt=Re→

Momento delle quantità di moto

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Consideriamo un punto 'C' ed un punto materiale Pi a cui compete il vettore quantità di moto mivi→. Il momento di mivi→ è per definizione il vettore:

Hi→=CPi→∧mivi→

Il momento risultante rispetto a 'C' è dato da:

∑Hi→=∑(CPi→∧mivi→)

eseguiamo il derivato:

ddt∑Hi→=∑(ddtCPi→∧mivi→)+∑(CPi→∧ddtmivi→)

Tenendo conto della relazione:

CPi→=OPi→−OC→

e derivando si ottiene:

ddtOPi→=ddtOPi→−ddtOC→=vi→−vc→

che sostituite nell'espressione del momento della quantità di moto dà:

ddt∑Hi→=∑(vi→−vc→)∧mivi→+∑CPi→∧ddt(mivi→)

ma osservando che:

∑(vi→−vc→)=∑vi∧mivi→−∑vc→∧mivi→

e che il termine vettoriale:

∑vi→∧mivi→=0

e che per il teorema del baricentro:

∑mivi→=MvG→

otteniamo in definitiva:

ddt∑Hi→=∑CPi→∧Fe→−vc→∧MvG→

E tenendo presente che ∑CPi→∧Fe→ è il momento delle forze esterne rispetto a 'C', possiamo scrivere:

ddt∑Hi→=Me→−vc→∧MvG→

È da notare che il termine vc→∧MvG→ è zero solo se 'C' è fermo o è il baricentro, allora solo in questo caso possiamo scrivere semplicemente:

ddt∑Hi→=Me→

Concludendo che il vettore derivato del momento della quantità di moto è uguale al momento delle forze esterne rispetto al punto fisso o rispetto al baricentro.