Urti bidimensionali
Urti
Una sfera di massa m che scivola con velocità v0 su di un piano orizzontale senza attrito, ne urta elasticamente un'altra di massa M, inizialmente ferma. Dopo l'impatto, la massa m viene deviata dal suo percorso di un angolo θ, mentre la sfera di massa M subisce la deviazione φ (Figura 6.6). Determinare le rispettive velocità v e V dei due corpi dopo l'urto e l'angolo φ, in funzione di θ, v0 e μ = M/m, discutendo i risultati al variare di θ e μ.
(Figura 6.6)
Sistema di riferimento e conservazione
Fissiamo il sistema di riferimento cartesiano xOy con l’origine nel punto di impatto e l’asse x avente la direzione ed il verso di v0. La conservazione della quantità di moto, essendo l’urto bidimensionale, fornisce due equazioni scalari che vengono combinate con l’equazione di conservazione dell’energia cinetica:
{
m v0 = m v cosθ + M V cosφ
0 = m v senθ - M V senφ
(1/2) m v02 = (1/2) m v2 + (1/2) M V2
}
Il segno meno nella seconda equazione indica che le componenti verticali delle velocità debbono essere necessariamente opposte di segno dato che lungo l’asse y la quantità di moto iniziale è nulla. Presupponendo note le due masse e la velocità v0, il sistema (1) si presenta con un numero di incognite superiore al numero delle equazioni [3 equazioni e 4 incognite (v, V, θ, φ)]. Quindi il problema è risolvibile soltanto se viene fornito un dato in più, ad esempio l’angolo θ. Ciò premesso, introducendo il rapporto delle masse μ = M/m, il sistema può essere scritto nella forma più semplice:
{
v cosθ + μ V cosφ = v0
v senθ - μ V senφ = 0
v2 + μ V2 = v02
}
Eliminazione di φ
Possiamo ora eliminare φ dalle prime due equazioni scrivendole nel modo seguente:
{
μ V cosφ = v0 - v cosθ
μ V senφ = v senθ
}
Elevando al quadrato e sommando membro a membro si deduce l’equazione:
μ2 V2 (cos2φ + sen2φ) = (v0 - v cosθ)2 + v2 sen2θ
Svolgendo i calcoli e, ricordando la nota relazione pitagorica della trigonometria valida per qualunque angolo α (cos2α + sen2α = 1), si ottiene facilmente:
μ2 V2 = v02 + v2 - 2 v0 v cosθ (3)
Combinando la (3) con la terza delle (2) scritta nella forma:
μ2 V2 = μ v02 - μ v2
otteniamo, con qualche passaggio, l'equazione risolvente nell'unica incognita v:
(1+mu) v2 - 2 (v0 cosT) v + (1-mu) v02 = 0 (4)
La (4) è un'equazione di 2° grado completa che fornisce le soluzioni:
v = v0[cosT +- sqrt(cos2T-(1-mu2))]/(1+mu)
Ricordando infine che 1 - cos2T = sen2T, possiamo esprimere il risultato nella forma:
v = v0[cosT +- sqrt(mu2 - sen2T)]/(1+mu) (5)
Risultati al variare di θ e μ
Osserviamo subito che i moduli delle velocità sono positivi per definizione mentre le loro componenti lungo gli assi cartesiani possono essere positive o negative a seconda del verso. Inoltre la figura 6.6 (si osservi la posizione scelta per i centri di massa dei due corpi) suggerisce di considerare:
- 0° Nessuna soluzione
- Due soluzioni 0° < T < 90°
- Una soluzione 0° < T < 180°
Conoscendo v, è possibile determinare anche V utilizzando la (3):
V = sqrt(v02 - 2 v0 v cosT + v2)/mu
oppure dalla terza delle (2) otteniamo il risultato completo:
v2 = (v02/mu) [1 - ((cos theta +- sqrt(mu2 - sen2 theta)) / (1+mu))2] (6)
Per quanto concerne l'angolo phi, utilizzando la seconda delle (2) (essendo ormai note v e V), possiamo scrivere brevemente:
sen phi = (v sen theta) / (mu V) (7)
e dunque:
phi = arcsen((v sen theta) / (mu V)) (8)
Casi particolari
Analizziamo ora i casi particolari:
Se theta = 0° oppure theta = 180° ritroviamo il caso dell'urto monodimensionale (infatti phi = 0°). Più interessante è invece il caso in cui mu = 1 ovvero il caso dell'urto bidimensionale tra masse uguali. Dalla (5) otteniamo:
v = v0/2 (cos theta +- cos theta)
v = 0
v = v0 cos theta
e dalla (6):
V = v0 sqrt(1 - ((cos theta +- cos theta)2)/4)
V = v0
V = v0 sen theta
La soluzione:
{
v = 0
V = v0
}
corrisponde ad un urto monodimensionale tra masse uguali. La soluzione:
{
v = v0 cos theta
V = v0 sen theta
}
esprime il fatto che theta e phi sono complementari. Infatti dalla (7) si trova sen phi = cos theta e ricordando la nota relazione trigonometrica cos alpha = sen(90° - alpha) si deduce: