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La tabella oraria

Dalle misure ai numeri: posizione, velocità e accelerazione lette in una tabella.

Al termine di questa lezione saprai

1. Che cos'è una tabella oraria

Nella lezione precedente abbiamo fotografato un corpo a intervalli regolari e abbiamo riportato le sue posizioni in un grafico. Prima ancora del grafico, però, quelle fotografie sono numeri: per ogni scatto conosciamo l'istante in cui è avvenuto e la posizione occupata dal corpo. Se scriviamo queste coppie una sotto l'altra otteniamo la tabella oraria del moto.

Tabella oraria = elenco di coppie (istante t ; posizione s) Ogni riga risponde a una sola domanda: dove si trova il corpo in quell'istante.

Il nome viene dall'orario dei treni, che funziona allo stesso modo: accanto a ogni stazione c'è l'ora in cui il treno vi si trova.

I numeri della tabella non si inventano: si misurano. Ci sono diversi modi per farlo:

Qualunque sia lo strumento, prima di misurare bisogna aver definito il sistema di riferimento: dov'è l'origine O, qual è il verso positivo e quale istante scegliamo come origine dei tempi, t = 0.

Ecco la tabella oraria del corpo della lezione precedente, con una misura in più:

Istante t (s) Posizione s (m)
11
22
34
47
511
Come si legge una riga

La riga «t = 3 s ; s = 4 m» significa: all'istante 3 s il corpo si trova nella posizione 4 m. Non significa che ha percorso 4 metri, e nemmeno che ha viaggiato per 3 secondi. Nella tabella ci sono istanti e posizioni; durate e spostamenti non sono scritti da nessuna parte: vanno ricavati.

2. Dove si trovano Δt e Δs

Una riga sola descrive un istante. Per parlare di moto ne servono due: una per l'inizio e una per la fine dell'intervallo che ci interessa. L'intervallo di tempo e lo spostamento sono le differenze fra i valori delle due righe, colonna per colonna:

Δt = t2 − t1      Δs = s2 − s1 Δt dalla colonna degli istanti, Δs dalla colonna delle posizioni. Sempre: riga finale meno riga iniziale.
Esempio — due righe vicine

Fra la terza e la quarta riga: Δt = 4 − 3 = 1 s e Δs = 7 − 4 = +3 m. In quel secondo il corpo si è spostato di 3 m nel verso positivo.

Esempio — due righe lontane

Le due righe non devono essere per forza consecutive. Fra la prima e la quarta: Δt = 4 − 1 = 3 s e Δs = 7 − 1 = +6 m. Sono proprio la base e l'altezza del triangolo tratteggiato sotto la secante della lezione precedente.

Intervalli non sempre uguali

In questa tabella le misure sono state prese ogni secondo, ma non è obbligatorio. Se gli istanti non sono equidistanti, Δt cambia da una coppia di righe all'altra: va calcolato ogni volta con la sottrazione, senza darlo per scontato.

3. La velocità dalla tabella

Una volta trovati Δs e Δt, la velocità media nell'intervallo è il loro rapporto:

vm = Δs / Δt = (s2 − s1) / (t2 − t1) Due righe della tabella danno una velocità media.

Ripetiamo il calcolo per ogni coppia di righe consecutive. Con cinque righe gli intervalli sono quattro:

Intervallo Δt Δs vm = Δs / Δt Istante centrale
da 1 s a 2 s1 s2 − 1 = 1 m1 m/s1,5 s
da 2 s a 3 s1 s4 − 2 = 2 m2 m/s2,5 s
da 3 s a 4 s1 s7 − 4 = 3 m3 m/s3,5 s
da 4 s a 5 s1 s11 − 7 = 4 m4 m/s4,5 s

Le velocità medie crescono da un intervallo al successivo: i dati mostrano che il moto non è uniforme e sono compatibili con un corpo che aumenta progressivamente la propria velocità. Lo avevamo già visto sul grafico, dove la curva diventava sempre più ripida.

A quale istante appartiene questa velocità?

Una velocità media appartiene a un intervallo, non a un istante. Il valore 2 m/s dice che cosa è accaduto complessivamente fra 2 s e 3 s: non è la velocità all'istante 2 s e nemmeno quella all'istante 3 s.

Se però vogliamo una stima della velocità istantanea, la scelta più ragionevole è attribuire quel valore all'istante centrale dell'intervallo, cioè a metà strada fra i due istanti:

tcentrale = (t1 + t2) / 2 Per l'intervallo da 2 s a 3 s: (2 + 3) / 2 = 2,5 s.

È una stima, tanto migliore quanto più breve è l'intervallo: è la stessa idea del passaggio dalla velocità media alla velocità istantanea. Una tabella con misure più fitte permette di avvicinarsi di più alla velocità in un singolo istante. Quando l'accelerazione è costante, la stima è esatta.

4. L'accelerazione dalla tabella

Abbiamo ora un secondo elenco di coppie: istanti centrali e velocità medie, considerate come stime delle velocità istantanee in quegli istanti. Con questo elenco possiamo ripetere lo stesso procedimento: prendiamo due valori, calcoliamo le differenze e dividiamo.

am = Δv / Δt = (v2 − v1) / (t2 − t1) Qui t1 e t2 sono gli istanti centrali a cui abbiamo attribuito le due velocità medie, usate come stime delle velocità istantanee.
Fra gli istanti Δt Δv am = Δv / Δt
1,5 s e 2,5 s1 s2 − 1 = 1 m/s1 m/s²
2,5 s e 3,5 s1 s3 − 2 = 1 m/s1 m/s²
3,5 s e 4,5 s1 s4 − 3 = 1 m/s1 m/s²

Le tre stime dell'accelerazione risultano uguali a 1 m/s². I dati sono quindi compatibili con un'accelerazione costante di 1 m/s², cioè con un moto uniformemente vario.

L'intero procedimento si può riassumere in una scaletta: dalle posizioni si ricavano le velocità medie dei diversi intervalli; attribuendo queste velocità agli istanti centrali, si possono poi ottenere stime dell'accelerazione.

t (s) s (m) vm (m/s) am (m/s²) 1 2 3 4 5 1 2 4 7 11 1 2 3 4 1 1 1 dati misurati Δs / Δt Δv / Δt

Ogni velocità media nasce da due posizioni e viene attribuita all'istante centrale fra le loro righe; da due velocità medie consecutive si può poi ottenere una stima dell'accelerazione. A ogni passaggio la colonna si accorcia di un valore: cinque posizioni, quattro velocità, tre stime dell'accelerazione.

Quante righe servono

Con una riga si conosce soltanto una posizione. Con due righe si calcola una velocità media. Con almeno tre righe si possono ricavare due velocità medie e, attribuendole agli istanti centrali, ottenere una stima dell'accelerazione.

5. Quando compaiono i segni

Nella tabella precedente tutte le differenze erano positive. Non è sempre così: se il corpo torna indietro, Δs diventa negativo e con esso la velocità media. Le regole restano le stesse, basta rispettare l'ordine «finale meno iniziale».

Esempio — un corpo che torna indietro

Tabella oraria: all'istante 0 s il corpo è in s = 6 m; a 1 s in 8 m; a 2 s in 8 m; a 3 s in 5 m.

Velocità medie: (8 − 6) / 1 = +2 m/s; (8 − 8) / 1 = 0 m/s; (5 − 8) / 1 = −3 m/s.

Nel primo secondo il corpo avanza. Nel secondo intervallo la posizione finale coincide con quella iniziale: lo spostamento è nullo, ma la tabella non permette di sapere se il corpo sia rimasto fermo o se sia andato avanti e poi tornato. Nel terzo secondo si sposta nel verso negativo.

Stime dell'accelerazione: (0 − 2) / 1 = −2 m/s²; (−3 − 0) / 1 = −3 m/s². I due valori sono diversi: i dati non sono compatibili con un'accelerazione costante.

6. Che cosa la tabella non dice

La tabella oraria conosce il moto soltanto negli istanti in cui è stata fatta una misura. Su ciò che accade fra una riga e l'altra non contiene alcuna informazione: è lo stesso limite che abbiamo incontrato nel grafico, quando per unire i punti abbiamo dovuto introdurre un'ipotesi sul moto.

Per questo le velocità ricavate direttamente dalla tabella sono valori medi, mentre le velocità istantanee e le accelerazioni ottenute con questo procedimento sono stime. Senza introdurre un modello matematico del moto, per avvicinarsi ai valori istantanei bisogna misurare più spesso, cioè costruire una tabella con righe più fitte.

Tabella e grafico raccontano lo stesso moto in due linguaggi. Ogni riga della tabella oraria è un punto del grafico posizione-tempo, e la velocità media fra due righe è la pendenza della secante fra i due punti corrispondenti. Allo stesso modo, le velocità che abbiamo calcolato, riportate ciascuna al proprio istante centrale, sono i punti di un nuovo grafico: il grafico velocità-tempo, che studieremo nella prossima lezione.

In sintesi

Verifica se hai capito

1. In una tabella oraria compare la riga «t = 3 s ; s = 4 m». Il corpo ha percorso 4 m in 3 s?

No. La riga dice soltanto che all'istante 3 s il corpo si trova nella posizione 4 m. Per conoscere uno spostamento e il tempo impiegato servono due righe, di cui fare la differenza.

2. All'istante 2 s un corpo è in s = 2 m, all'istante 5 s è in s = 11 m. Quanto vale la velocità media?

Δs = 11 − 2 = 9 m e Δt = 5 − 2 = 3 s, quindi vm = 9 / 3 = 3 m/s. Le due righe non devono essere consecutive.

3. Quante righe della tabella oraria servono, come minimo, per ottenere una stima dell'accelerazione?

Tre. Con tre righe si hanno due intervalli e quindi due velocità medie; attribuendole ai rispettivi istanti centrali, dalla loro differenza divisa per il tempo che separa tali istanti si ottiene una stima dell'accelerazione.

4. Tabella oraria: a 0 s il corpo è in 10 m, a 2 s in 6 m, a 4 s in 2 m. Che moto descrivono questi dati?

Le velocità medie sono (6 − 10) / 2 = −2 m/s e (2 − 6) / 2 = −2 m/s. Sono uguali: i dati sono quindi compatibili con un moto uniforme nel verso negativo dell'asse.

5. La velocità media è 3 m/s fra 0 s e 2 s, ed è 7 m/s fra 2 s e 4 s. Attribuendo le due velocità agli istanti centrali dei rispettivi intervalli, quale stima dell'accelerazione si ottiene?

Gli istanti centrali sono 1 s e 3 s, quindi Δt = 2 s. Δv = 7 − 3 = 4 m/s, e a = 4 / 2 = 2 m/s². Attenzione a non dividere per 1 s soltanto per abitudine.

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