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[Risolto] Esercizio pendolo

  

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Una massa $\mathrm{M}=1 \mathrm{~kg}$ è poggiata su un piano orizzontale scabro tale che il coefficiente di attrito statico tra corpo $\mathrm{M}$ e piano è $\mu=0.5$. Come riportato in figura, un cavo ideale passa attorno alla carrucola ideale $\mathrm{C}$ e collega la massa M a un'altra massa $m=0.3 \mathrm{~kg}$, sospesa nel vuoto. Determinare il massimo valore dell'ampiezza di oscillazione della massa m compatibile con la condizione che la massa M permanga in equilibrio statico. [Suggerimento: considerare che in un pendolo semplice, detta $\theta_0$ l'ampiezza dell'oscillazione, la tensione del cavo a cui è collegata una massa $\tilde{m}$ del pendolo in funzione dell'angolo $\theta$ formato con la verticale è data dalla relazione $\mathrm{T}(\theta)=\widetilde{m} g\left(3 \cos \theta-2 \cos \theta_0\right)$.]

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Concentriamoci sulla massa M.

Affinche rimanga ferma sul piano orizzontale si deve avere che:

N = Mg, T = Ft

dove Ft `e la forza d’attrito statico e T la tensione della corda.

Siccome si ha anche

Ft ≤ µsN =µsMg

 questa relazione ci da un valore massimo della tensione della corda affinche M rimanga in posizione.

Infatti deve essere

T ≤µsMg (a)

Esaminando la parte del pendolo, si puo trovare T in funzione dell’ampiezza massima di oscillazione del pendolo e quindi rispondere alla domanda del testo.

Applichiamo il secondo principio lungo la direzione radiale, ovvero lungo la fune che unisce la massa m al punto C.

Indicando con r la lunghezza del filo si ha

mr˙θ2 = T −mgcosθ,

da cui

T =mr˙θ2 +mgcosθ.

Vediamo che ci sono due termini che entrano nel modulo della tensione T: uno `e dovuto alla componente radiale della forza peso, ed è massima per θ = 0, mentre `e minima per θ = π/2.

L’altro è dato dal termine di accelerazione radiale. Siccome questa va con v^2, anche questo termine sara massimo quando la massa m raggiunge la configurazione a θ = 0. Allora possiamo trovare il massimo di T in funzione dell’ampiezza massima di oscillazione θ0 e usare la (a) per trovare il massimo di θ0 che sia compatibile con l’equilibrio di M.

In θ0 il punto m è istantaneamente fermo. Utilizzando la conservazione dell’energia, possiamo dunque scrivere 1/2mr2 ˙θ2 max = mgr(1 − cosθ0), e quindi Tmax = T(θ = 0) = mr˙θ2 max +mg = mg(3−2cosθ0)

Ricordando la (a),

si ha

mg(3−2cosθ0) ≤ µsMg,

ovvero

cosθ0 ≥ 1/2 (3− µsM/m)=2/ 3.

Quindi

−θ0,max ≤ θ0 ≤ θ0,max

dove 

 

θ0,max = arccos2/3= 0.84 = 48.2°

aiutoooo



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