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Il metodo punta-coda

La costruzione grafica che somma due vettori qualunque, e che si estende a quanti ne vuoi.

Al termine di questa lezione saprai

1. Quando i vettori non sono allineati

Nella lezione precedente i vettori stavano tutti sulla stessa retta e la somma si riduceva a un conto con i segni. Ora togliamo quella condizione: due spostamenti in direzioni diverse, due forze applicate da due punti diversi, due velocità che si compongono. Qui l'asse orientato non basta più, perché non esiste un'unica retta su cui proiettare tutto.

Serve un metodo nuovo, e il più naturale nasce dall'idea di spostamento. Se cammini 40 metri verso est e poi 30 metri verso nord, dove sei finito rispetto al punto di partenza? La risposta è una sola freccia, quella che unisce il punto di partenza al punto di arrivo. Questa freccia è esattamente la somma dei due spostamenti.

2. La costruzione

Il metodo traduce quell'idea in tre passaggi:

  1. si disegna il primo vettore, v1, lasciandolo dov'è;
  2. si trasla il secondo vettore finché la sua coda non coincide con la punta del primo, senza cambiarne né lunghezza né inclinazione;
  3. si traccia la risultante dalla coda del primo alla punta del secondo.
v₁ coda v₂ traslato v₂ nella posizione originale R

La risultante chiude il triangolo: parte dalla coda del primo e arriva alla punta del secondo.

La costruzione è lecita grazie a una proprietà che abbiamo stabilito nella prima lezione: un vettore si può traslare senza diventare un altro vettore. Il v2 traslato è identico all'originale, perché conserva modulo, direzione e verso. Sposti soltanto il punto in cui lo disegni.

Due errori che rovinano il disegno

Il primo: ruotare il secondo vettore per farlo combaciare. La traslazione mantiene l'inclinazione, quindi il vettore traslato deve restare parallelo all'originale. Il secondo: tracciare la risultante dalla punta del primo alla punta del secondo. La risultante parte sempre dalla coda del primo: il triangolo va chiuso, non percorso.

3. L'ordine non conta

Che cosa succede se, invece di traslare v2 sulla punta di v1, fai il contrario? Ottieni un triangolo diverso, ribaltato, ma la risultante è la stessa freccia. La somma vettoriale è commutativa, esattamente come la somma fra numeri.

v1 + v2 = v2 + v1 I due percorsi sono diversi, il punto di arrivo è lo stesso.

Torna utile il significato fisico: se cammini prima verso est e poi verso nord, oppure prima verso nord e poi verso est, arrivi nello stesso punto. Il tragitto cambia, lo spostamento complessivo no. I due triangoli messi insieme, del resto, formano proprio un parallelogramma, ed è il legame con la regola che vedrai nella prossima lezione.

4. Più di due vettori: il poligono

Qui sta il vero vantaggio del metodo. Con tre, quattro o dieci vettori non serve nulla di nuovo: si continua ad agganciare ciascun vettore alla punta del precedente, e alla fine si unisce la coda del primo alla punta dell'ultimo. La figura che si ottiene si chiama poligono dei vettori.

v₁ v₂ v₃ R

Il poligono dei vettori: si aggancia ciascuno al precedente e si chiude dalla prima coda all'ultima punta.

C'è un caso che vale la pena riconoscere a colpo d'occhio: se agganciando tutti i vettori il poligono si chiude da solo, cioè l'ultima punta cade esattamente sulla prima coda, allora la risultante è il vettore nullo e il sistema è in equilibrio. È il criterio grafico dell'equilibrio, e nelle costruzioni si vede prima di qualsiasi calcolo.

5. Quanto può valere la risultante

Guardando il triangolo della costruzione si ricava una limitazione che vale sempre e che conviene tenere a mente per controllare i risultati. In un triangolo ogni lato è minore della somma degli altri due e maggiore della loro differenza. Applicato alla risultante:

|v1 − v2| ≤ R ≤ v1 + v2 Il massimo si ha con vettori concordi, il minimo con vettori discordi: i due casi della lezione precedente.

I vettori paralleli, allora, non erano un argomento a parte: erano i due casi limite del punta-coda, quelli in cui il triangolo si appiattisce su una retta. Con un angolo qualunque fra i due vettori, la risultante sta da qualche parte in mezzo.

Esempio — i 40 metri a est e i 30 a nord

Riprendiamo la passeggiata dell'inizio. I due spostamenti sono perpendicolari, quindi il triangolo è rettangolo e la risultante è l'ipotenusa: R = √(40² + 30²) = 50 m. Hai camminato per 70 metri, ma ti trovi a 50 metri dal punto di partenza. Il controllo torna: 50 sta fra 10 e 70, come previsto dalla disuguaglianza.

Vai in laboratorio

Nella simulazione Sfida punta coda puoi costruire la catena dei vettori e vedere comparire la risultante. Prova a invertire l'ordine dei due vettori: il triangolo si ribalta ma la freccia rossa resta identica, ed è la commutatività vista con gli occhi.

In sintesi

Verifica se hai capito

1. Nella costruzione punta-coda, da dove parte e dove arriva la risultante?

Parte dalla coda del primo vettore e arriva alla punta dell'ultimo. Chiude il triangolo, non lo percorre: se la disegni da punta a punta ottieni tutt'altro vettore, che in realtà rappresenta la differenza.

2. Due vettori di modulo 9 e 4. La risultante può valere 3?

No. Il minimo possibile è 9 − 4 = 5, che si ottiene solo se sono discordi. Qualunque angolo dà un valore fra 5 e 13. Un risultato di 3 segnala un errore nel disegno o nel conto.

3. Perché posso spostare il secondo vettore sulla punta del primo?

Perché un vettore è individuato solo da modulo, direzione e verso: traslandolo non cambia nessuno dei tre, quindi resta lo stesso vettore. Quello che non si può fare è ruotarlo o cambiarne la lunghezza.

4. Quattro vettori agganciati in sequenza formano un quadrilatero chiuso. Quanto vale la risultante?

Zero. L'ultima punta coincide con la prima coda, quindi la freccia che le unisce ha lunghezza nulla. È la condizione di equilibrio riconosciuta graficamente, senza calcoli.

5. Cammino 5 km a nord e 5 km a sud. Quanto vale lo spostamento risultante, e quanto lo spazio percorso?

Lo spostamento risultante è nullo, perché il poligono si chiude: sei tornato al punto di partenza. Lo spazio percorso è 10 km. È di nuovo la differenza fra grandezza vettoriale e grandezza scalare della prima lezione.

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