Una raccolta di quesiti, quiz e problemi di dinamica.
Alcuni degli esercizi sono tratti da College Physics: Explore and Apply di E. Etkina, G. Planisic e A. Van Heuvelen, altri da Gettys Fisica 1 di G. Vannini (e opportunamente adattati), altri ancora inventati dal sottoscritto.
Cosa significano E, F, ecc.? Consulta la [[scala di difficoltà degli esercizi]].
Quesiti
- E Come spieghi il fatto che, per mantenere una velocità costante in auto, è necessario premere sull’acceleratore?
- F+ Commenta la seguente affermazione: per il terzo principio della dinamica, ad ogni forza ne corrisponde una opposta; quindi le forse si annullano tutte a vicenda.
- EE Mentre ti trovi in auto, un moscerino impatta contro il veicolo e si schiaccia sul parabrezza.
- È maggiore la forza impressa dal moscerino sull’auto o quella impressa dall’auto sul moscerino? Motiva la risposta.
- L’urto con il moscerino modifica significativamente la velocità dell’auto? Spiega.
- PD Durante un viaggio in auto, il cruise control mantiene la velocità di 70 km/h, costante in modulo. È possibile affermare che la forza risultante agente sul veicolo sia sempre nulla? Spiega.
- E A cosa servono le cinture di sicurezza?
- D- È possibile rimuovere la tovaglia da un tavolo senza ritirare prima i piatti.
- È meglio rimuovere la tovaglia con uno strappo deciso o con un movimento lento? Perché?
- È meglio che i piatti siano pesanti o leggeri? Spiega.
- F La frombola è un antico tipo di fionda. È costituita da una sacca a cui sono legati due lacci. Il proiettile, tipicamente una pietra, è inserito nella sacca e fatto roteare tramite i lacci. Al rilascio di uno dei lacci, il proiettile viene lanciato in una direzione desiderata.
- In seguito al lancio, il proiettile prosegue lungo una traiettoria circolare?
- Esiste una forza che agisce sul proiettile al momento del lancio e diretta lungo la traiettoria poi seguita dal proiettile?
- AD Quando si frena in bici, quale corpo sta esercitando la forza frenante? Spiega il funzionamento dei freni. E quando si accelera, quale corpo esercita sulla bici la forza che la accelera?
- D Data una medesima velocità iniziale, è possibile che un’automobile pesante si arresti in meno spazio di una più leggera? Spiega.
- EE The book is on the table. Quale corpo esercita la forza peso del libro? quale corpo esercita invece la forza detta reazione vincolare?
- E Su un certo oggetto sono esercitate la forza peso e una reazione vincolare di pari intensità. Rappresenta il diagramma delle forze, quindi identifica tre distinti casi di moto in cui il diagramma delle forze è applicabile.
- PD+ Un’astronave viaggia nello spazio profondo. Nessun fluido o solido è espulso dall’astronave. Quanto vale la somma delle forze agenti sull’astronave? Perché è necessaria la precisazione fornita nel secondo periodo per rispondere al quesito?
- F Spiega, dal punto di vista fisico, l’evento chiave nel fumetto The Night Gwen Stacy Died.
- D+ La forza peso degli astronauti e delle astronaute sulla ISS (la Stazione Spaziale Internazionale) non è nullo, infatti l’accelerazione gravitazionale sull’ISS vale circa 8,64 m/s², l’88% del suo valore sulla superficie terrestre. Eppure, nei vari video facilmente reperibili online, è possibile osservare gli astronauti e le astronaute sulla ISS fluttuare come se non fossero attratti dalla Terra. Come spieghi questo fatto?
- TD Puoi percepire la tua forza peso?
- AD Immagine di trovarti sulla ISS. Come puoi distinguere una scatola piena di piume e di una scatola identica ma piena di attrezzi di metallo? Spiega come potresti trovare il rapporto tra le loro masse usando un metro e un cronometro.
- AD- Traini uno slittino, tirandolo tramite una fune. Confronta la forza che tu eserciti sullo slittino e quella che lo slittino esercita su di te quando lo slittino si muove a velocità costante, lo slittino accelera, lo slittino decelera.
- PD- Mentre ti trovi in un parco, acchiappi al volo una mela caduta da un albero. La forza che eserciti sulla mela per arrestarne la caduta è più o meno intensa (o di medesima intensità) rispetto alla forza che eserciti sulla mela quando questa è ferma nel palmo della tua mano? Spiega. Confronta poi l’intensità che devi esercitare sulla mela per lanciarla verso l’alto rispetto alla forza che eserciti sulla mela quando è ferma nel palmo della tua mano.
- F Spiega per i cannoni sulle vecchie navi (e non solo) erano montati su ruote.
Quiz
- F Un’alpinista, opportunamente imbragata e legata, cade in seguito alla rottura di un appiglio. La corda arresta la caduta. Detta $F_P$ la forza peso dell’alpinista e $F_\uparrow$ la forza, diretta verso l’alto, esercitata sull’alpinista dalla corda, durante l’arresto della caduta, si può affermare che…
- (a) $F_P < F_\uparrow$.
- (b) $F_p = F_\uparrow$.
- (c) $F_p > F_\uparrow$.
- (d) non ci sono dati a sufficienza per rispondere.
- F- Un ascensore sale a velocità costante. Detta $F_p$ la forza peso dell’ascensore e $F_\uparrow$ la forza esercitata sull’ascensore dalla fune che ne regola il movimento, allora…
- (a) $F_P < F_\uparrow$.
- (b) $F_p = F_\uparrow$.
- (c) $F_p > F_\uparrow$.
- (d) non ci sono dati a sufficienza per rispondere.
- F Un ascensore sale a velocità decrescente. Detta $F_p$ la forza peso dell’ascensore e $F_\uparrow$ la forza esercitata sull’ascensore dalla fune che ne regola il movimento, allora…
- (a) $F_P < F_\uparrow$.
- (b) $F_p = F_\uparrow$.
- (c) $F_p > F_\uparrow$.
- (d) non ci sono dati a sufficienza per rispondere.
- F Stai viaggiando in autobus, sul sedile accanto al tuo hai appoggiato lo zaino. All’improvviso l’autista frena bruscamente e lo zaino cade a terra. Tre osservatori spiegano diversamente quanto accaduto: l’osservatore A sostiene che lo zaino abbia proceduto a velocità costante mentre l’autobus accelerava; B sostiene che l’autobus abbia spinto lo zaino in avanti; C afferma che l’autobus è un sistema di riferimento inerziale, perché lo zaino è caduto senza che subire forze esterne. Quale o quali osservatori hanno ragione?
- (a) Solo A.
- (b) A e C.
- (c) B e C.
- (d) Tutti gli osservatori.
- E Quali grandezze vettoriali che descrivono il moto di un corpo hanno sempre la medesima direzione e lo stesso verso?
- (a) Velocità e accelerazione.
- (b) Velocità e somma delle forze.
- (c) Accelerazione e somma delle forze.
- (d) Accelerazione e forze.
- (e) Le opzioni b e c sono entrambe corrette.
- E Cosa succede a un’astronave che viaggia nello spazio se nessuna forza esterna agisce sull’astronave? Se una forza agisce nello stesso verso del moto? Se agisce in senso opposto?
- (a) Prosegue a velocità costante; accelera costantemente; decelera costantemente.
- (a) Rallenta gradualmente; prosegue a velocità costante; decelera costantemente.
- (c) Rallenta gradualmente; prosegue a velocità costante; si ferma quasi istantaneamente.
- PD Sali su una bilancia reggendo due pesanti manubri da palestra. Sollevi quindi rapidamente i manubri e, altrettanto rapidamente, interrompi quindi il sollevamento. Cosa succede al valore indicato sulla bilancia?
- (a) Inizialmente aumenta, torna poi a valore originale, infine diminuisce.
- (b) Inizialmente diminuisce, torna poi a valore originale, infine aumenta.
- (c) Nulla, poiché la somma della tua massa e dei manubri rimane sempre costante.
- PD Sali su una bilancia all’interno di un ascensore che si muove a velocità costante. Cosa succede al valore indicato sulla bilancia se, improvvisamente, il cavo dell’ascensore si spezza? Non temere, ti trovi ad appena a un metro da terra nell’istante in cui avviene l’incidente!
- (a) Aumenta.
- (b) Rimane invariato.
- (c) Diminuisce.
- (d) Diminuisce leggermente.
- (e) Si azzera istantaneamente.
- EE Spingi uno scatolone di massa 10 kg, esercitando su di esso una forza di intensità 200 N, eppure la scatola accelera di soli 5 m/s².
- (a) Lo scatolone spinge la persona all’indietro, per il terzo principio, quindi la forza totale è minore.
- (b) Ci sono altre forze che agiscono sullo scatolone, quindi ΣF < 200 N.
- (c) Le due precedenti opzioni sono entrambe corrette.
- (d) Occorrono più dati per rispondere.
- F- Una mela di 100 g cade da un albero. Cosa si può affermare il merito alla forza esercitata dalla Terra sulla mela?
- (a) È di molto maggiore rispetto alla forza esercitata dalla mela sulla Terra.
- (b) Ha la stessa intensità della forza esercitata dalla mela sulla Terra.
- (c) Occorre conoscere la massa della Terra per rispondere.
- F Dopo aver scavalcato un muretto in spiaggia, puoi scegliere se saltare e atterrare sulla sabbia oppure su un blocco di cemento. Quale tra le seguenti affermazioni meglio descrivi la ragione per cui è meglio atterrare sulla sabbia?
- (a) Il cemento esercita una forza di intensità maggiore su di te.
- (b) Affondando nella sabbia, aumenta lo spazio di arresto.
- (c) L’accelerazione da te subita durante l’atterraggio sulla sabbia è inferiore rispetto a quella che avresti subito atterrando sull’asfalto, quindi anche la forza esercitata dalla sabbia è inferiore.
- (d) Le opzioni b e c.
- (e) Le opzioni a, b e c.
- F+ Una navicella spaziale di 3000 kg si sta allontanando dalla stazione spaziale alla velocità costante di 3 m/s. L’astronauta a bordo attiva allora il sistema di propulsione, che espelle gas dalla navicella. Così facendo la somma delle forze agenti sull’astronave è diversa da zero. Quanto deve valere, al minimo, l’intensità della forza esercitata sulla navicella dai gas espulsi dal sistema di propulsione affinché la navicella torni alla stazione spaziale.
- (a) 9000 N.
- (b) 1000 N.
- (c) Un qualsiasi valore maggiore di zero.
- (d) In ogni caso la navicella continuerà ad allontanarsi.
- (e) Non sono fornite sufficienti informazioni per rispondere.
Problemi
Per ogni problema rappresenta un diagramma delle forze e del moto, indicando tutte le forze rilevanti al fine della risoluzione del problema (precisa quale corpo esercita la forza e quale corpo la subisce), la velocità dei corpi studiati e la sua eventuale variazione.
Problemi al contrario F Inventa due problemi che sia risolvibili mediante le seguenti equazioni rispettivamente.
- $(40 \text{ kg}) \cdot a = 240 \text{ N} - 60 \text{ N}$.
- $3{,}0 \text{ m/s}^2 \cdot 3{,}0 \text{ kg} = 32{,}4 \text{ N} - F$.
Dritti e rovesci PD- Stima la forza esercitata da una tennista sulla pallina tramite un colpo con la racchetta. Elenca i dati trovati online e le assunzioni fatte.
Scoiattolo volante E Un esemplare di pteromyini, comunemente detto scoiattolo volante, di massa 350 g, si lascia cadere dal ramo di un albero. Lo scoiattolo plana verso il suolo lungo una traiettoria pressoché verticale e con una velocità costante. Ciò è reso possibile dalla forza — detta resistenza aerodinamica — che si oppone al moto discendente e dipende dalla peculiare forma a paracadute dello scoiattolo. Stima l’intensità della resistenza aerodinamica.
Rinculo EE/F Un’atleta di biathlon (massa 60 kg) spara con un fucile di massa 3,7 kg un proiettile di massa 2,6 g. Il proiettile è accelerato uniformemente lungo la canna del fucile, lunga 55 cm, per fuoriuscirne alla velocità di 360 m/s. Calcola l’accelerazione impressa all’atleta e al fucile dal rinculo dell’arma.
Il decollo di un Super Hornet PD+ Un jet F-18 Super Hornet (massa 2,1 × 10⁴ kg), percorrendo la pista di 90 m della portaerei USS Nimitz, accelera costantemente da zero a 265 km/h. A partire dai dati forniti, quali grandezze fisiche si possono ricavare? Stila una lista e calcola il valore di tre di esse.
Atterraggio lunare F Il Lunar Lander (massa 2,0 × 10⁴ kg) percorse gli ultimi 150 m della discesa sulla superficie della Luna in 120 s, a velocità costante. L’accelerazione gravitazionale in prossimità della superficie lunare vale circa 1,663 m/s². A partire da questi dati, quali grandezze fisiche si possono ricavare?
Strike! F Lanci una palla da bowling. Disegna il diagramma delle forze che agiscono su di te e sulla palla al momento del lancio, specificando le coppie di azione-reazione, quali corpi esercitano le forze e quali le subiscono.
Al volo D+ Un pallone da basket di massa 0,65 kg, lanciato poco prima, colpisce l’anello del canestro (posto a 3,05 m da terra) e inizia a ruotare attorno ad esso, fino a cadere. Stima la minima forza che il pallone esercita sulle tue mani mentre lo afferri al volo. Confronta tale forza con quella che tu devi esercitare sul pallone per fermarlo.
Airbag PD- Una persona di 70 kg è fermata nello spazio di 0,60 m durante una collisione. L’airbag esercita sulla persona una forza di 8000 N. Indica e calcola tre grandezze fisiche calcolabili a partire dai dati forniti.
Uniti per la Terra TD Stima la massima accelerazione che subirebbe la Terra se tutte le persone, riunitesi, saltassero contemporaneamente.