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Le proprietà dei vettori

Perché certe grandezze non si lasciano descrivere da un numero, e quali sono i tre elementi che individuano un vettore.

Al termine di questa lezione saprai

1. Quando un numero non basta

Se ti dico che la temperatura dell'aula è 21 °C, l'informazione è completa: non c'è altro da aggiungere. Se ti dico che la massa di un carrello è 400 g, idem. Grandezze come queste si chiamano scalari: per definirle basta un numero con la sua unità di misura.

Prova ora con un'altra frase: «il carrello si è spostato di 3 metri». Qui qualcosa manca, e si sente. Tre metri in che direzione? Verso dove? Senza quelle informazioni non sai dire dove sia finito il carrello. Lo spostamento è una grandezza vettoriale: per definirla servono un numero e un'indicazione di direzione e verso.

Grandezze scalari Grandezze vettoriali
massa, tempo, temperatura spostamento, velocità, accelerazione
lunghezza, area, volume forza, quantità di moto
energia, lavoro, densità campo elettrico, campo magnetico
Bastano numero e unità di misura Servono anche direzione e verso
Attenzione a una coppia insidiosa

Lo spazio percorso è scalare, lo spostamento è vettoriale. Se fai un giro completo di pista torni al punto di partenza: hai percorso 400 metri di spazio, ma il tuo spostamento è nullo. Sono due grandezze diverse, non due nomi per la stessa cosa.

Il vettore è l'oggetto matematico costruito apposta per rappresentare queste grandezze. Si disegna come una freccia, e proprio la freccia porta con sé tutte e tre le informazioni che servono.

2. I tre elementi di un vettore

direzione: questa retta verso: dove punta modulo: la lunghezza della freccia origine

Una sola freccia porta tre informazioni: quanto, lungo quale retta, in che verso.

Direzione e verso non sono sinonimi

Nel linguaggio comune si usano come se fossero la stessa cosa: «vado in direzione del mare». In fisica no. Una direzione ammette sempre due versi opposti: la direzione verticale contiene sia «verso l'alto» sia «verso il basso». Due vettori che puntano in senso contrario hanno la stessa direzione e versi opposti.

C'è poi un quarto dato che in fisica conta spesso, anche se non fa parte della definizione matematica di vettore: il punto di applicazione, cioè il punto in cui la grandezza agisce. Per una forza fa tutta la differenza del mondo spingere una porta vicino ai cardini o vicino alla maniglia, pur con la stessa intensità, la stessa direzione e lo stesso verso.

3. La notazione

Poiché il vettore e il suo modulo sono due cose diverse, si scrivono in modo diverso. Il vettore per intero si indica con la lettera in grassetto, oppure con una freccina sopra quando si scrive a mano. Il solo modulo si indica con la stessa lettera in tondo, oppure fra barre verticali.

v  è il vettore   |   v = |v|  è il suo modulo Il modulo è un numero, il vettore no: non si possono scrivere uno al posto dell'altro.

Sembra una pignoleria da libro di testo, e invece è il punto in cui si generano metà degli errori. Scrivere «v = 12 m/s» è sbagliato: a sinistra c'è un vettore, a destra un numero. Si scrive v = 12 m/s, oppure si descrive il vettore per intero: 12 m/s diretti verso est.

4. Disegnare un vettore in scala

Per rappresentare un vettore su un foglio serve una convenzione che leghi i centimetri del disegno alle unità della grandezza. Si sceglie una scala e la si dichiara, esattamente come sulle cartine geografiche.

scala scelta: 1 quadretto = 10 N = 10 N F₁ = 20 N → 2 quadretti F₂ = 50 N → 5 quadretti

Con la stessa scala, un vettore di modulo doppio si disegna lungo il doppio.

La regola pratica è sempre la stessa: lunghezza del disegno = modulo diviso la scala. Con la scala del disegno, una forza di 35 N si traccerebbe lunga tre quadretti e mezzo. E naturalmente vale anche il percorso inverso: misurando una freccia e moltiplicando per la scala si ricava il modulo, ed è così che leggerai i risultati delle costruzioni grafiche nelle prossime lezioni.

La scala va dichiarata, e va tenuta

Due errori frequenti: non scrivere la scala accanto al disegno, e cambiarla a metà strada perché un vettore «non ci stava nel foglio». In una costruzione grafica tutti i vettori devono essere nella stessa scala, altrimenti il risultato che misuri non significa nulla.

5. Quando due vettori sono uguali

Ecco una proprietà che sorprende sempre: due frecce disegnate in punti lontani del foglio possono rappresentare lo stesso vettore. Perché due vettori siano uguali servono e bastano tre condizioni: stesso modulo, stessa direzione, stesso verso. Dove sono disegnati non conta.

questi tre sono lo stesso vettore: uguale modulo, uguale direzione, uguale verso questo no: stessa direzione ma verso opposto

Un vettore si può traslare liberamente: resta lo stesso vettore.

La conseguenza è importante e la userai continuamente: un vettore si può spostare parallelamente a sé stesso senza cambiarlo. Quello che non puoi fare è ruotarlo o allungarlo: cambieresti la direzione o il modulo, cioè otterresti un altro vettore. Su questa libertà di traslazione si regge il metodo punta-coda, che incontrerai fra due lezioni.

6. Vettore opposto e vettore nullo

Due casi particolari meritano un nome. Il vettore opposto di v, indicato con −v, ha lo stesso modulo e la stessa direzione, ma verso contrario. È la freccia rossa della figura precedente.

|−v| = |v| Il segno meno cambia il verso, non il modulo: il modulo resta positivo.

Il vettore nullo, scritto 0, ha modulo zero. Si riduce a un punto, quindi direzione e verso non sono definiti: non ha senso chiedersi dove punti una freccia lunga zero. Sembra un oggetto inutile, e invece è quello che esprime le situazioni più interessanti della fisica: risultante nulla significa equilibrio, spostamento nullo significa tornare al punto di partenza, velocità nulla significa fermo.

Vai in laboratorio

Nella simulazione I vettori puoi costruire un vettore regolandone modulo, direzione e verso e vedere come cambia la freccia. Prova a tenere fisso il modulo e a ruotare la direzione: è il modo più rapido per convincersi che il modulo è una cosa e la direzione un'altra.

In sintesi

Verifica se hai capito

1. La temperatura è una grandezza vettoriale?

No, è scalare: per definirla basta un numero con l'unità, 21 °C. Non ha senso chiedersi in che direzione punti una temperatura. Attenzione a non farsi ingannare dal segno: −5 °C è un numero negativo, non un verso.

2. Due vettori hanno la stessa direzione. Sono necessariamente uguali?

No. Stessa direzione significa solo che giacciono su rette parallele. Possono avere moduli diversi, oppure versi opposti. Per essere uguali devono coincidere in tutte e tre le caratteristiche.

3. Con la scala 1 cm = 5 N, quanto va disegnato lungo un vettore di 35 N?

35 : 5 = 7 cm. E viceversa: una freccia lunga 4 cm in quella scala rappresenta 4 × 5 = 20 N. La scala si usa in entrambi i sensi, a seconda che tu stia disegnando o misurando.

4. Posso spostare un vettore in un altro punto del foglio?

Sì, purché tu lo trasli, cioè lo sposti mantenendo identici modulo, direzione e verso. Non puoi invece ruotarlo né accorciarlo. In fisica, però, se il vettore rappresenta una forza, spostare il punto di applicazione può cambiare l'effetto sul corpo: la libertà di traslazione vale per il vettore come oggetto matematico.

5. Che differenza c'è fra −v e un vettore di modulo negativo?

Un vettore di modulo negativo non esiste: il modulo è una lunghezza, quindi non può essere minore di zero. Il simbolo −v non indica un modulo negativo, indica un vettore con lo stesso modulo di v e verso contrario.

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