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[Risolto] Esercizio Fisica su Momento di inerzia e momento torcente

  

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Due sbarrette di massa trascurabile sono saldate a $90^{\circ}$ in corrispondenza di un'estremità. II corpo così ottenuto può ruotare rigidamente nel piano verticale $x y$ con il vertice fisso nell'origine $O$. Una particella di massa $m_1=75 g$ viene fissata all'estremità di una delle due sbarrette, alla distanza $l_1=42 cm$ dall'origine, una seconda particella di massa $m_2=30 g$ viene fissata all'estremità dell'altra sbarretta alla distanza $l_2=65 cm$ dall'origine. Calcolare:
(a) il momento d'inerzia del sistema rispetto all'asse $z$.
(b) Come cambierebbe il momento d'inerzia se le due particelle, trovandosi nella medesima posizione, fossero fissate agli estremi di un'unica sbarretta?
Determinare inoltre il vettore accelerazione angolare con cui si muove inizialmente il sistema lasciato libero di ruotare sotto l'effetto della forza peso quando:
(c) la prima sbarretta è disposta orizzontalmente lungo l'asse $x$ (Fig.1);
(d) la prima sbarretta forma un angolo di $38^{\circ}$ con l'orizzontale (Fig.2).
(a-b) $I=2.6 \cdot 10^{-2} kg m ^2$; (c) $\vec{\alpha}=(-11.9 \vec{k}) rad s ^{-2}$;
(d) $\vec{\alpha}=(-4.84 \vec{k}) rad s ^{-2}$

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Calcoliamo il momento di inerzia come:

$I= m_1l_1^2 + m_2l_2^2 = 0.075 kg*(0.42m)^2 + (0.030kg)*(0.65m)^2 = 0.01323+0.012675 = 0.0259 kg m^2 = 2.6 \times 10^{-2} kg m^2$

Anche se fossero fissate agli estremi della stessa sbarretta, il calcolo sarebbe del tutto analogo.

 

Se la prima sbarretta fosse disposta lungo l'asse x, con l'oggetto fissato nell'origine, dovremmo considerare il solo momento della forza peso che agisce sulla massa $m_1$ per cui sapendo che:

$ M = I \alpha$ 

otteniamo che il modulo dell'accelerazione è:

$ \alpha = \frac{M}{I} = \frac{g m_1 l_1}{I} = \frac{9.81 m/s^2*0.075 kg* 0.42m}{2.6 \times 10^{-2} kg m^2 }=11.9 rad/s^2$

Essendo diretta verso il basso: $\alpha = - 11.9 rad/s^2 k$.

Nel caso di un angolo di 38°, la forza peso agirebbe su entrambe le sferette, producendo un momento torcente di:

$ M= m_1*g*l_1*sin(90-38) -0. m_2*g*l_2*sin(38) = 0.243 - 0.118 = 0.125 N m$

dove tieni conto che l'angolo che si forma tra la forza peso e la prima asticella è (90°-38°), mentre quello sulla seconda asticella (di verso opposto quindi negativo) è 38°

$ \alpha = \frac{M}{I} = \frac{0.125}{2.6 \times 10^{-2}} =  4.8 rad/s^2$

 

Noemi



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