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Legge di gravitazione universale

  

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Considerando due sfere di massa $m_1$ e $m_2$ di raggio rispettivamente $r_1$ e $r_2$ poste a una distanza iniziale $d$, queste si attraggono reciprocamente con una forza $F=G\frac{m_1m_2}{d^2}$, quanto tempo impiegheranno le due sfere a collidere l'una con l'altra?

Oggi abbiamo studiato in classe la legge di gravitazione universale, ho notato che però la forza con cui si attraggono i corpi non è costante nel corso del tempo (man mano che i corpi si avvicinano, la forza aumenta) e così l'accelerazione con cui si muovono. Non trattandosi dunque di un moto uniformemente accelerato, non saprei come calcolare il tempo necessario perché i corpi si incontrino. Per evitare problemi con gli infiniti, consideriamo i corpi come delle sfere con raggio noto, quindi si sta chiedendo di calcolare il tempo trascorso dal momento iniziale al momento in cui le sfere saranno tangenti. L'unico passo che mi manca è riuscire a calcolare lo spazio percorso dai centri di massa, per risolvere l'equazione

$d-(S_1+r_1)=S_2+r_2$

Credo che il problema sia abbastanza facile, basterà adoperare degli integrali, ma non ho ancora gli strumenti per fare un calcolo del genere.

Autore

La distanza $d$ è la distanza da un centro di massa all'altro.

@gabo ...sovente le cose ci appaiono facili perché frutto di indebite semplificazioni di cose complesse

@remanzini_rinaldo è vero, molto superficiale da parte mia...

@gabo

Il fatto che tu ti sia posto questo problema, pur non avendo ancora gli strumenti matematici per risolverlo, non è una sottovalutazione ma una dimostrazione di grande curiosità intellettuale. La scienza avanza proprio grazie a chi osa porsi domande oltre i confini delle proprie conoscenze attuali.

Il tuo approccio dimostra una mente aperta, una qualità alla base di ogni progresso culturale. Continua a coltivare questa passione, perché con impegno e studio acquisirai presto gli strumenti per affrontare anche le sfide più complesse. 

Non smettere mai di interrogarti e di meravigliarti di fronte ai misteri della fisica e della matematica. Il futuro della conoscenza ha bisogno di persone curiose come te. Con stima, Gregorius

4 Risposte



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Non é proprio banale 

Devi risolvere l'equazione differenziale 

m r'' = - G M m/r^2 

con r(0) = r1 + d + r2 

r'(0) = 0

e risolvere poi rispetto a T 

r(T) = r1 + r2

 

Non posso entrare nel merito della risoluzione completa ma 

r'' = - K/r^2 

si imposta ricordando che r' dt = dr   per cui si ha 

r'' r' dt = - K/r^2 dr 

e quindi 

1/2 r'^2 = K/r + C1 

@eidosm grazie mille, ho sottovalutato clamorosamente il problema. Anche se la soluzione non è completa, ho una vaga idea di quello che sto cercando.



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Come giustamente ha scritto @EidosM e @remanzini_rinaldo il problema non è affatto banale. Alla soluzione si perviene, introducendo il concetto di massa ridotta e assimilando il caso in esame alla caduta di questa massa. Inoltre il problema richiede la risoluzione di equazioni differenziali (e quindi il calcolo di integrali). Oggi non ho tempo di scriverti la soluzione completa. Mi limito per ora a trascriverti le soluzioni. Le soluzioni 1 e 2 sono matematicamente equivalenti. In genere la 1 è quella più frequentemente presente nei testi universitari, ma con passaggi trigonometrici si dimostra l'equivalenza delle due soluzioni. 

Infine la 3a equazione è un caso particolare delle prime due, nell'ipotesi di considerare le masse m(1) e m(2) puntiformi.

Calcolo tempo collisione sfere

 Domani o dopodomani ti scriverò la soluzione completa.

@gregorius grazie mille, come ho già detto ho clamorosamente sottovalutato il problema, apprezzo molto l'impegno!



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Calcolo tempo collisione sfere 1
Calcolo tempo collisione sfere 2

 Allegati 1 e 2

Calcolo tempo collisione sfere (Allegato 1) 1
Calcolo tempo collisione sfere (Allegato 1) 2
Calcolo tempo collisione sfere (Allegato 2)1
Calcolo tempo collisione sfere (Allegato 2)2

Allegato 3 (soluzione mediante l'uso dell'equazione differenziale suggerita da EidosM)

Calcolo tempo collisione sfere (Allegato 3) 1
Calcolo tempo collisione sfere (Allegato 3)2

@gregorius grazie mille! Lo leggerò appena tornerò a casa!

@gregorius ho letto la dimostrazione, i passaggi sono molto chiari e mi dispiace di non poter dare la migliore risposta. Una domanda però, perché scrivi in $\LaTeX$ fuori dal testo della domanda (cioè alleghi uno screenshot del documento con la formula $\LaTeX$)?

@gabo Buona osservazione! Uso LaTeX perché è lo standard per scrivere formule matematiche in modo chiaro e professionale in ambito scientifico e accademico. Mi viene più comodo generare la formula in un editor e allegare lo screenshot per essere sicuro che la formattazione sia perfetta, evitando problemi di compatibilità che a volte capitano quando si incolla codice LaTeX direttamente nel testo

Non tutte le piattaforme (come alcune chat di messaggistica, email o forum semplici) supportano il rendering del codice LaTeX in tempo reale. Allegando un'immagine, mi assicuro che si veda esattamente la formula come l'ho concepita, senza che uno si debba preoccupare di interpretare il codice grezzo (es. \frac{\sqrt{x}}{y}). È un modo per essere certo della chiarezza della mia comunicazione.

Inoltre l'uso dello screenshoot mi consente di inserire immagini e grafici o usare caratteri e/o colori diversi per meglio esemplificare la formula.

Last but not least, questa modalità mi consente di conservare in un archivio digitale tutte le risposte e poterle recuperare facilmente se, come capita abbastanza di frequente, una stessa domanda venisse posta più volte nel corso degli anni. Non è facile rintracciare nel/nei forum le domande postate anni fa, perchè spesso non vengono scritte in formato testo (e quindi facilmente indicizzabili dai motori di ricerca) ma, per comodità del richiedente, postate come immagini. Quindi perdo meno tempo a caricare di nuovo la risposta salvata sotto forma di screenshot (e da me preventivamente catalogata) che a rintracciare la risposta per copiare il link e postarlo.

@gregorius capisco, mi è capitato spesso che la mia formula $\LaTeX$ fosse incorretta per una parentesi graffa, oppure per qualche comando non supportato, è poi la possibilità di archiviare le risposte è molto utile e comoda. Anch'io uso molto $\LaTeX$ perché è molto più semplice per il lettore capire questa formazione piuttosto che del resto normale o peggio la mia scrittura! Fortunatamente, per la maggior parte delle domande, tutte le funzioni di cui ho avuto bisogno sono supportate da Sosmatematica (salvo rarissimi casi). Per alcuni diagrammi, se ti piace tanto usare $\LaTeX$, ti consiglio di usare un pacchetto che si chiama TikZ, è abbastanza complesso ma si accorda bene con lo stile dei documenti.

spherical stereographic projection

 Un esempio di un'immagine realizzata con TikZ (ingrandisci l'immagine per una risoluzione migliore).

Ha la sua complessità, come $\LaTeX$ in sé, ma dato che tu usi un editor a parte, puoi permetterti di usarlo, e ne vale la pena secondo me. 

Grazie ancora, e a presto!



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m * a = - G m1 m2 / r^2;

accelerazione a = r'' derivata seconda dello spostamento r;

equazione differenziale di secondo ordine.

@mg Santo Cielo! Stento a crederlo! Quando ho visto questa più che stringata risposta ho pensato che l'avvesse scritta @rinaldo_remanzini, il campione mondiale della "laconicità" (dote che gli invidio moltissimo, visto che io sono, mio malgrado, logorroico) e poi ho visto il tuo logo e la tua firma. Mi sono stroppicciato gli occhi e ho inforcato gli occhiali 🤓 🧐 . Era proprio vero quello che vedevo. Tu sei la "responsora" (forse ho creato un neologismo). Chi l'avrebbe mai detto! Mi stupisci ad ogni tua risposta! 🌺 🌻 🌼

@gregorius  mi sono stancata di scrivere risposte complicate. Ci sei già  tu che sei l'eccellenza in tutti gli ambiti. Io voglio limitarmi a Pitagora e a qualche proporzione.



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