Officina del Moto › Parte 4 › Il grafico velocità-tempo

Il grafico velocità-tempo

Su una retta, anche l'accelerazione si legge in un grafico.

Al termine di questa lezione saprai

1. Velocità e accelerazione con segno

Su una retta, come la posizione, anche velocità e accelerazione diventano numeri con segno: il segno indica il verso, rispetto a quello scelto come positivo. La variazione di velocità diventa allora una semplice differenza:

am = Δv / Δt = (v2 − v1) / (t2 − t1) Al numeratore e al denominatore, sempre: finale meno iniziale.

Qui si nasconde un equivoco classico. Accelerazione negativa non significa «il corpo frena», e accelerazione positiva non significa «il corpo va più veloce». Bisogna confrontare il segno dell'accelerazione con il segno della velocità.

Velocità Accelerazione Che cosa succede
PositivaPositivaAvanza e accelera
PositivaNegativaAvanza e rallenta
NegativaNegativaIndietreggia e accelera
NegativaPositivaIndietreggia e rallenta

La regola da memorizzare è una sola: se velocità e accelerazione hanno lo stesso segno il corpo accelera, se hanno segni opposti rallenta. Un'automobile che procede in retromarcia premendo il gas ha velocità negativa e accelerazione negativa: sta accelerando, anche se i numeri sono entrambi negativi.

Esempio — la frenata

Un'auto viaggia a 20 m/s e si ferma in 4 secondi.

am = (0 − 20) / 4 = −5 m/s². Il segno meno dice che l'accelerazione è opposta al moto: ogni secondo la velocità cala di 5 m/s. Nel linguaggio comune si dice decelerazione, ma in fisica è semplicemente un'accelerazione con segno opposto alla velocità.

Esempio — la partenza

Una bicicletta parte da ferma e dopo 3 s va a 6 m/s.

am = (6 − 0) / 3 = +2 m/s². Velocità e accelerazione sono entrambe positive: la bicicletta avanza e va sempre più veloce, guadagnando 2 m/s ogni secondo.

2. Il grafico velocità-tempo

Come la velocità si legge nel grafico posizione-tempo, l'accelerazione si legge nel grafico velocità-tempo: tempo in orizzontale, velocità in verticale. E vale esattamente la stessa regola, un piano più in là:

Pendenza nel grafico v-t → accelerazione Come la pendenza nel grafico posizione-tempo dava la velocità.
tempo t (s) velocità v (m/s) O a > 0 accelera a = 0 velocità costante a < 0 rallenta v0

Tre corpi partono con la stessa velocità positiva v0. La pendenza di ciascuna retta è la sua accelerazione: il primo accelera, il secondo mantiene la velocità costante, il terzo rallenta.

Attenzione a non confondere i due grafici: nel grafico posizione-tempo una retta orizzontale vuol dire corpo fermo, nel grafico v-t una retta orizzontale vuol dire velocità costante, che è tutt'altra cosa. Prima di leggere un grafico, guarda sempre che cosa c'è scritto sull'asse verticale.

3. Media e istantanea nello stesso grafico

Quello che abbiamo visto per il grafico posizione-tempo vale anche qui, un piano più in là. La pendenza della secante fra due punti del grafico velocità-tempo è l'accelerazione media in quell'intervallo. Facendo avvicinare i due punti la secante diventa tangente, e la sua pendenza è l'accelerazione istantanea.

Se il grafico è una retta, secante e tangente coincidono: l'accelerazione è la stessa in ogni istante, e accelerazione media e istantanea sono uguali in qualunque intervallo. È il moto uniformemente accelerato. Se invece il grafico è una curva, l'accelerazione cambia, e per conoscerla in un istante serve la tangente.

Mettendo insieme i due grafici si ottiene la regola di lettura di tutta la cinematica del moto su una retta:

Grafico Pendenza della secante Pendenza della tangente
posizione-tempo velocità media velocità istantanea
velocità-tempo accelerazione media accelerazione istantanea

4. L'area sotto il grafico: lo spostamento

Nel grafico velocità-tempo c'è un'altra informazione fondamentale. Considera dapprima una velocità costante: in un intervallo Δt il grafico è un segmento orizzontale e la regione compresa fra il grafico e l'asse dei tempi è un rettangolo. La sua area vale:

area = v · Δt = Δs Nel moto rettilineo, l'area con segno sotto il grafico velocità-tempo rappresenta lo spostamento.

La stessa idea vale anche quando la velocità cambia. Le zone del grafico sopra l'asse dei tempi contribuiscono con spostamento positivo; quelle sotto l'asse contribuiscono con spostamento negativo. Per trovare lo spostamento complessivo bisogna quindi sommare le aree tenendo conto del segno.

Spostamento e spazio percorso non sono la stessa cosa

Se la velocità cambia segno, il corpo inverte il verso del moto. L'area con segno fornisce lo spostamento; per ottenere lo spazio percorso bisogna invece sommare i valori assoluti delle aree dei singoli tratti.

In sintesi

Verifica se hai capito

1. Un corpo ha velocità −6 m/s e accelerazione −2 m/s². Sta accelerando o rallentando?

Sta accelerando: velocità e accelerazione hanno lo stesso segno, quindi il valore della velocità cresce. Il corpo si muove nel verso negativo e lo fa sempre più rapidamente.

2. Un ciclista passa da 8 m/s a 2 m/s in 3 s. Quanto vale l'accelerazione media?

am = (2 − 8) / 3 = −2 m/s². Sta rallentando, perché l'accelerazione ha segno opposto alla velocità, che è positiva.

3. Nel grafico velocità-tempo la linea è orizzontale. Il corpo è fermo?

No: la velocità è costante, quindi il corpo si muove di moto uniforme. Sarebbe fermo solo se quella retta coincidesse con l'asse dei tempi, cioè con v = 0. Il corpo fermo dà una retta orizzontale nel grafico posizione-tempo.

4. Nel grafico velocità-tempo la linea sale sempre più ripida. Che cosa sta succedendo all'accelerazione?

Sta aumentando: la pendenza della tangente cresce istante dopo istante, quindi l'accelerazione istantanea è sempre più grande. Il moto non è uniformemente accelerato, perché il grafico è una curva e non una retta.

5. Nel grafico velocità-tempo di un moto uniformemente accelerato, secante e tangente possono essere diverse?

No: il grafico è una retta, e su una retta la secante fra due punti qualsiasi coincide con la tangente. Per questo accelerazione media e istantanea sono uguali in ogni intervallo.

6. Nel grafico velocità-tempo una parte del grafico è sopra l'asse dei tempi e una parte sotto. Che cosa rappresenta la somma algebrica delle due aree?

Lo spostamento complessivo. L'area sopra l'asse contribuisce positivamente, quella sotto negativamente. Se invece vuoi lo spazio percorso, devi sommare i valori assoluti delle due aree.

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