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Il metodo delle componenti

Come smettere di disegnare: si proietta tutto sugli assi, si somma con l'algebra e si ricompone il risultato.

Al termine di questa lezione saprai

1. L'idea

Le costruzioni grafiche hanno un difetto che si fa sentire appena i vettori diventano tre o quattro: la precisione. Ogni freccia tracciata a mano porta un piccolo errore, e gli errori si accumulano lungo il poligono. Serve un metodo che dia numeri esatti.

L'idea è semplice e potente. Un vettore obliquo è scomodo perché agisce «un po' in orizzontale e un po' in verticale». Proviamo allora a sostituirlo con due vettori comodi, uno lungo l'asse x e uno lungo l'asse y, scelti in modo che la loro somma sia esattamente il vettore di partenza. Questi due vettori si chiamano componenti cartesiane.

Il guadagno è enorme: tutti i vettori del problema, per quanto orientati diversamente, si riducono a numeri su due sole rette. E su una retta, come sappiamo dalla seconda lezione, sommare significa sommare con i segni.

2. Scomporre un vettore

Si fissano due assi perpendicolari e si disegna il vettore con la coda nell'origine. Dalla punta si tracciano le perpendicolari ai due assi: i segmenti che si leggono sugli assi sono le componenti, vx e vy.

x y v vx vy θ

Il vettore e le sue due componenti formano un triangolo rettangolo: l'ipotenusa è il vettore.

Il triangolo che vedi è rettangolo, il vettore ne è l'ipotenusa e le componenti sono i cateti. A questo punto entra in gioco la lezione precedente: vx è il cateto adiacente all'angolo θ, vy quello opposto.

vx = v · cosθ   |   vy = v · senθ Con θ misurato a partire dall'asse x. Se l'angolo è dato rispetto a y, seno e coseno si scambiano.

3. I segni delle componenti

Le componenti non sono lunghezze, sono numeri con segno: il segno dice da che parte dell'asse punta la componente. Positivo verso destra e verso l'alto, negativo verso sinistra e verso il basso. È l'asse orientato della seconda lezione, applicato due volte.

v(x) > 0 v(y) > 0 v(x) < 0 v(y) > 0 v(x) < 0 v(y) < 0 v(x) > 0 v(y) < 0

Il segno di ciascuna componente dipende solo dal verso in cui punta lungo il proprio asse.

Il segno si decide guardando il disegno

Non affidarti alla calcolatrice per i segni finché non padroneggi gli angoli maggiori di 90°. Il metodo più sicuro è questo: calcola il valore assoluto della componente con seno e coseno dell'angolo acuto che il vettore forma con l'asse x, poi guarda il disegno e metti il segno a mano. Un vettore che punta in basso a sinistra avrà entrambe le componenti negative, e nessuna formula può dirtelo meglio dei tuoi occhi.

4. Sommare per componenti

Ecco il cuore del metodo. Poiché tutte le componenti x stanno sulla stessa retta, e così tutte le componenti y, la somma si spezza in due somme algebriche indipendenti.

Rx = v1x + v2x + …   |   Ry = v1y + v2y + … Due conti separati: le componenti x non si mescolano mai con le y.

Il procedimento completo è sempre lo stesso, qualunque sia il numero dei vettori:

  1. scegli gli assi e disegna tutti i vettori con la coda nell'origine;
  2. scomponi ciascun vettore, con il suo segno;
  3. somma separatamente le componenti x e le componenti y;
  4. ricomponi la risultante a partire da Rx e Ry.

5. Ricomporre la risultante

L'ultimo passo è il percorso inverso della scomposizione. Avendo le due componenti della risultante, il modulo viene da Pitagora e la direzione dalla tangente.

R = √(Rx² + Ry²)   |   tanθ = Ry / Rx Il primo dà il modulo, il secondo l'angolo con l'asse x.

L'angolo che ottieni dalla calcolatrice va sempre confrontato con il disegno: i segni di Rx e Ry dicono in quale quadrante si trova la risultante, e la calcolatrice da sola non lo sa.

Esempio completo — tre forze su un anello

Su un anello agiscono: F1 = 50 N a 0°, F2 = 40 N a 90°, F3 = 30 N a 180°.

Scomposizione. F1: x = 50 · cos0° = 50, y = 0. F2: x = 0, y = 40. F3: x = −30, y = 0.

Somme. Rx = 50 + 0 − 30 = 20 N; Ry = 0 + 40 + 0 = 40 N.

Ricomposizione. R = √(400 + 1600) = √2000 ≈ 44,7 N; tanθ = 40/20 = 2, da cui θ ≈ 63°. Entrambe le componenti sono positive, quindi la risultante sta nel primo quadrante: 44,7 N a circa 63° sopra l'orizzontale.

6. Scegliere bene gli assi

Gli assi li scegli tu, e una scelta accorta può dimezzare il lavoro. La regola pratica: orienta gli assi in modo che il maggior numero possibile di vettori ci cada sopra. Ogni vettore già allineato con un asse ha una componente nulla e non va scomposto.

Nell'esempio dell'anello si vede bene: due forze su tre stavano già sugli assi, e la scomposizione è costata zero fatica. Nei problemi sul piano inclinato, che incontrerai studiando le forze, conviene invece inclinare gli assi lungo il piano: il moto avviene in quella direzione e i conti si semplificano.

Le componenti sostituiscono il vettore

Quando hai scomposto un vettore, nelle somme entrano vx e vy, non v. Lasciare anche il vettore originale significa contarlo due volte, ed è l'errore che fa saltare l'intero esercizio. Nel disegno, conviene barrare la freccia obliqua appena hai tracciato le due componenti.

Vai in laboratorio

Nella simulazione Somma per componenti puoi comporre vettori e vedere le proiezioni sugli assi aggiornarsi. Prima di premere il pulsante, calcola Rx e Ry su un foglio: la simulazione serve a confermare il conto, non a evitarlo.

In sintesi

Verifica se hai capito

1. Un vettore di modulo 100 forma 30° con l'asse x. Quanto valgono le sue componenti?

vx = 100 · cos30° = 87; vy = 100 · sen30° = 50. Controllo: √(87² + 50²) ≈ 100. Entrambe sono minori di 100, come devono essere.

2. Un vettore punta in basso a sinistra. Che segni hanno le sue componenti?

Entrambe negative: vx < 0 perché punta verso sinistra, vy < 0 perché punta verso il basso. È il terzo quadrante.

3. Due vettori hanno Rx = 0 e Ry = 0. Che cosa significa?

Che la risultante è il vettore nullo e il sistema è in equilibrio. Attenzione però: servono entrambe le condizioni. Se solo Rx fosse nulla, il corpo sarebbe in equilibrio in orizzontale ma accelererebbe in verticale.

4. Perché il metodo delle componenti è preferibile alle costruzioni grafiche?

Perché dà risultati esatti e non peggiora all'aumentare del numero dei vettori: con dieci vettori si fanno due somme algebriche invece di dieci costruzioni successive, ciascuna con il proprio errore di disegno.

5. Un vettore giace sull'asse y. Quanto vale la sua componente x?

Zero, perché l'angolo con l'asse x è 90° e cos90° = 0. Un vettore già allineato con un asse non va scomposto: ha una sola componente, uguale a sé stesso.

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