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Piano Inclinato con Molla

Tre forme di energia che si scambiano il ruolo.

Al termine di questa lezione saprai

1. La situazione

Un corpo di massa m parte da fermo sulla sommità di un piano inclinato liscio e scivola verso il basso. Alla base del piano è fissata una molla di costante elastica k. Il corpo la raggiunge, la comprime, rallenta, si ferma per un istante, e poi viene rilanciato indietro.

È la situazione più ricca di tutto il percorso, perché entrano in gioco tutte e tre le forme di energia meccanica.

A B h α U → E c E + U → U c            e

Figura 1 — Dalla sommità alla molla: prima l'energia potenziale diventa cinetica, poi entrambe diventano elastica.

2. Le tre fasi del moto

Fase Che cosa succede Trasformazione
1. Discesa libera Il corpo scende fino a toccare la molla, accelerando Ugrav → Ec
2. Compressione Il corpo continua a scendere comprimendo la molla, e rallenta fino a fermarsi Ec + Ugrav → Ue
3. Rilancio La molla si distende e rispedisce il corpo verso l'alto Ue → Ec + Ugrav
Un dettaglio interessante

Nella fase 2 la velocità non comincia subito a diminuire. All'inizio la molla è poco compressa e la sua forza è più debole della componente del peso lungo il piano: il corpo continua ad accelerare. Solo quando la forza elastica supera m · g · senα il corpo comincia a rallentare. La velocità massima si raggiunge quindi dentro la molla, non al momento del contatto.

3. Il bilancio completo

Se il piano è liscio, tutte le forze che compiono lavoro sono conservative (peso ed elastica) e l'energia meccanica si conserva. Confrontiamo direttamente lo stato iniziale A, con il corpo fermo in alto, e lo stato B di massima compressione, in cui il corpo è di nuovo fermo:

m · g · hA + ½ · m · vA2 = ½ · k · xB2

Se il corpo parte da fermo, il termine cinetico sparisce e resta:

m · g · hA = ½ · k · xB2   →   xB = √(2 · m · g · hA / k)
Il punto critico: da dove si misura hA

Questa scrittura è corretta a una condizione: che hA sia misurata rispetto alla posizione finale del corpo, cioè a molla completamente compressa. Con quella scelta il livello di riferimento coincide con il punto in cui il corpo si ferma, e l'energia potenziale gravitazionale finale è zero.

Se invece prendi come riferimento il punto in cui il corpo tocca la molla scarica, durante la compressione il corpo scende ancora di xB lungo il piano, cioè di xB · senα in verticale. Il bilancio corretto diventa allora:

m g hA + m g xB senα + ½ m vA² = ½ k xB²

È un'equazione di secondo grado in xB: corretta, ma inutilmente laboriosa. Mettere il riferimento nella posizione finale è quasi sempre la scelta migliore.

4. Il ritorno

La molla compressa contiene ora tutta l'energia meccanica del sistema. Distendendosi la restituisce interamente al corpo, che riparte verso l'alto.

Se il piano è perfettamente liscio e la molla ideale, il corpo risale esattamente fino alla quota di partenza: l'energia meccanica non è cambiata, quindi quando l'energia cinetica torna a essere nulla anche l'energia potenziale deve valere quanto all'inizio. Il moto si ripete indefinitamente, avanti e indietro.

½ · k · xB2 = m · g · hC   →   hC = hA
Con l'attrito, invece

Basta un po' di attrito e il corpo risale meno di quanto era sceso, e a ogni passaggio un po' meno, fino a fermarsi. In quel caso al bilancio va aggiunto il termine − kd · m · g · cosα · s, con s la lunghezza effettivamente percorsa lungo il piano in ciascuna fase: è la trattazione della lezione sulle forze non conservative.

5. Esempi svolti

Esempio 1 — Massima compressione

Un blocco di 2,0 kg parte fermo da un'altezza di 0,90 m sopra la posizione in cui si fermerà, lungo un piano inclinato liscio. In fondo trova una molla con k = 800 N/m. Di quanto la comprime? (g = 9,8 m/s²)

m g hA = 2,0 · 9,8 · 0,90 = 17,64 J

17,64 = ½ · 800 · xB²  →  xB² = 0,0441

xB = 0,21 m = 21 cm

Esempio 2 — Con velocità iniziale

Lo stesso blocco viene lanciato verso il basso a 3,0 m/s dalla stessa posizione. Quanto si comprime ora la molla?

EA = 17,64 + ½ · 2,0 · 9,0 = 17,64 + 9,0 = 26,64 J

26,64 = 400 · xB²  →  xB² = 0,0666

xB = 0,26 m = 26 cm

L'energia è aumentata del 51%, la compressione solo del 23%: il quadrato nella formula elastica smorza l'effetto.

Esempio 3 — Il rilancio

Nell'Esempio 1, con quale velocità il blocco ripassa dalla posizione in cui la molla è di nuovo scarica? La molla scarica si trova 0,21 m più in alto lungo il piano, inclinato di 30°.

Quota della molla scarica rispetto al riferimento: 0,21 · sen 30° = 0,105 m

E totale = 17,64 J = m g h + ½ m v² = 2,0 · 9,8 · 0,105 + 1,0 · v²

17,64 = 2,06 + v²  →  v² = 15,58  →  v = 3,9 m/s

Esempio 4 — Molla come lanciatore

Una molla con k = 500 N/m, compressa di 12 cm, lancia in salita lungo un piano liscio di 20° un carrello di 0,80 kg. Quanto sale in verticale? Quanto percorre lungo il piano? (Misura le quote dalla posizione iniziale del carrello.)

Ue = ½ · 500 · 0,12² = 3,6 J

3,6 = m g h  →  h = 3,6 : (0,80 · 9,8) = 0,46 m

s = h / sen 20° = 0,46 : 0,342 = 1,3 m

6. Lo schema generale

In un sistema con gravità e molla, l'energia meccanica in un punto qualsiasi è la somma di tre termini, ciascuno dei quali può essere nullo:

E = ½ · m · v2 + m · g · h + ½ · k · x2
Stato del corpo Ec Ugrav Ue
Fermo in alto, lontano dalla molla0massima0
In movimento, appena tocca la mollagrandepiccola0
Fermo, massima compressione00 (con riferimento qui)massima
In risalita, molla di nuovo scaricagrandepiccola0

In sintesi

Verifica se hai capito

1. Perché la velocità del corpo continua ad aumentare anche dopo che ha toccato la molla?

Perché all'inizio la forza elastica è piccola, minore della componente del peso lungo il piano: la risultante è ancora diretta verso il basso e il corpo accelera. Il rallentamento comincia solo quando k · x supera m g senα.

2. Che cosa cambia se la molla è più rigida, a parità di energia in arrivo?

Si comprime meno, perché x = √(2E/k). L'energia immagazzinata è la stessa, ma serve meno deformazione per accumularla.

3. Perché conviene mettere il livello di riferimento nella posizione di massima compressione?

Perché in quel punto sia l'energia cinetica sia l'energia potenziale gravitazionale sono nulle: resta un solo termine a destra dell'uguale, e l'equazione si risolve direttamente senza diventare di secondo grado.

4. Un blocco di 1,5 kg parte da 0,60 m sopra la posizione finale e comprime una molla di 15 cm. Quanto vale k?

m g h = 1,5 · 9,8 · 0,60 = 8,82 J = ½ k · 0,15² = 0,01125 k → k = 784 N/m.

5. Con un po' di attrito, il corpo risale fino alla quota di partenza?

No, risale meno: l'attrito ha dissipato energia sia in discesa sia in risalita. A ogni oscillazione l'ampiezza si riduce, finché il corpo si ferma.

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