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Potenza delle reazioni vincolari nel vincolo di appoggio liscio

La potenza esplicata dalle reazioni vincolari in un vincolo di appoggio liscio (ovvero senza attrito) è nulla.

DIM: Imponiamo di avere un appoggio liscio di un punto materiale su un oggetto. Dato che tale oggetto è liscio per ipotesi, la reazione vincolare è puramente perpendicolare al corpo.

Se chiamiamo A il punto materiale e B il punto di appoggio sul secondo oggetto rigido considerato, abbiamo che per il principio di azione e reazione le forze vincolari saranno:

Φ999⃗0 = −Φ999⃗/

Se indichiamo con 8⃗/ ? 8⃗0 le velocità dei rispettivi punti A e B, avremo per il vincolo di appoggio che:

8⃗/ ⋅ Jz = 8⃗0⋅ Jz ⟹ (8⃗0− 8⃗/) ⋅ Jz = 0

Dunque, procedendo al calcolo della potenza complessiva delle reazioni vincolari, avremo che:

Π = Φ999⃗0⋅ 8⃗0+ Φ999⃗/⋅ 8⃗/ = −Φ999⃗/ ⋅ 8⃗0+ Φ999⃗/⋅ 8⃗/ = −Φ999⃗/(8⃗0− 8⃗/) Dato che la reazione vincolare per ipotesi è normale al corpo, avremo che:

Φ999⃗/ = Φ/Jz Quindi:

−Φ999⃗/(8⃗0− 8⃗/) = −[(8⃗0− 8⃗/) ⋅ Jz]Φ/ = 0 ⟹ Π = 0 52) Potenza esplicata dal vincolo di puro rotolamento su una guida fissa.

La potenza esplicata dalle reazioni vincolari del vincolo di puro rotolamento di un disco su una guida fissa è nulla.

DIM: Consideriamo un disco che rotola senza strisciare su una guida fissa e sia A il punto di contatto tra i due corpi, mentre sia Φ999⃗/ la reazione vincolare (che, in generale, non ha direzione perpendicolare alla guida per il puro rotolamento). La potenza della reazione vincolare sarà data da:

Π = Φ999⃗/ ⋅ 8⃗/ = 0

In quanto, per il vincolo di rotolamento senza strisciamento, la velocità del punto di contatto tra disco e guida è nulla.

53) Potenza esplicata dal vincolo di puro rotolamento tra due corpi.

La potenza esplicata dalla reazione vincolare del vincolo di puro rotolamento tra due corpi è nulla.

DIM: Consideriamo due dischi che rotolano senza strisciare l’uno sull’altro rispettivamente nei punti A e B. Per il principio di azione e reazione si avranno due reazioni vincolari uguale in modulo e opposte in verso Φ999⃗/ ? Φ999⃗0 tali che:

Φ999⃗0 = −Φ999⃗/ Inoltre per il vincolo di puro rotolamento si avrà che:

8⃗/ = 8⃗0 Quindi la potenza delle reazioni vincolari sarà data da:

Π = Φ999⃗0⋅ 8⃗0+ Φ999⃗/⋅ 8⃗/ = −Φ999⃗/ ⋅ 8⃗0+ Φ999⃗/⋅ 8⃗/ = Φ999⃗/(8⃗/ − 8⃗0) = 0

⟹ Π = 0 54) Potenze delle forze interne a un corpo rigido.

La potenza delle forze interne a un corpo applicate su un corpo rigido è nulla.

DIM: Consideriamo due punti A e B interni ad un corpo rigido qualsiasi. Essi interagiranno tra di loro scambiandosi le forze ó⃗/ ? ó⃗0 che, per il principio di azione e reazione, sono tali che:

ó⃗0= −ó⃗/ ? ó⃗/ ∥ (S − U) Ora calcoliamo la potenza esplicata dalle due forze:

Π = ó⃗0⋅ 8⃗0+ ó⃗/⋅ 8⃗/ = −ó⃗/⋅ (8⃗0− 8⃗/)

Dal momento che il corpo è rigido, possiamo applicare la formula di atto di moto rigido:

8⃗0− 8⃗/ = b99⃗ ∧ (S − U) Sostituendo, otteniamo:

^4H^4@?Là ^4HK. ê@ILH

Quindi in definitiva Π = 0.

55) Potenza di una coppia di forze applicata ad un corpo rigido piano.

Sia ï99⃗ il momento della coppia ó⃗, −ó⃗ applicata ad un corpo rigido piano. Allora la potenza esplicata da tale coppia sarà:

Π = ±ï6̇

DIM: Il momento di tale coppia rispetto ad un qualsiasi polo O, supponendo che ó⃗, −ó⃗

siano rispettivamente applicate nei punti B e A, può essere espresso come:

ï99⃗ = (S − C) ∧ ó⃗ + (U − C) ∧ −ó⃗ = (S − U) ∧ ó⃗

Ora, dato che siamo nel piano e le due forze sono anch’esse contenute nel piano, per le proprietà del prodotto vettoriale avremo che il momento della coppia sarà perpendicolare al piano stesso. Quindi, supponendo che i punti A e B abbiano rispettivamente velocità 8⃗/ ? 8⃗0, avremo che:

Π = ó⃗ ⋅ 8⃗0− ó⃗ ⋅ 8⃗/

= ó⃗ ⋅ (8⃗0− 8⃗/)@Ü GH4^H è 4@•@KH

= ó⃗ ⋅ Mb99⃗ ∧ (S − U)N^4H^4@?Là ^4HK. ê@ILH

=

= b99⃗ ⋅ ß(S − U) ∧ ó⃗® = b99⃗ ⋅ ï99⃗

Ma dato che il corpo è piano, si avrà b99⃗ = 6̇c>. Quindi:

Π = b99⃗ ⋅ ï99⃗ = ±bc> ⋅ ±ïc> = ±ïb

Dove il segno dipende da come sono orientati gli assi e da come sono orientati il momento della coppia e la velocità angolare del corpo.

56) Teorema dell’energia cinetica in forma integrale.

La variazione di energia cinetica di un corpo tra uno stato iniziale e uno stato finale è uguale al lavoro delle forze applicate al corpo:

Δ¢ = q

Dove il lavoro di una forza applicata ad un punto P tra due stati A e B è definito come:

q = ™ ó⃗ ⋅ KA

0

/

DIM: Consideriamo la definizione di lavoro di una forza:

q = ™ ó⃗ ⋅ KA

0

/

Ora moltiplichiamo per K´, dove ´ indica un istante di tempo generico. Si avrà quindi che

$!

$N è la velocità del punto materiale:

q = ™ ó⃗ ⋅ KA

0

/

= ™ ó⃗ ⋅KA K´K´

)

6

= ™ ó⃗ ⋅ 8⃗K´

)

6

= ™ ΠK´

)

Ma per il teorema dell’energia cinetica in forma differenziale possiamo dire che: 6

Π =K¢

Quindi: K´

q = ™ ΠK´

)

6 = ¢(S) − ¢(U) = Δ¢

57) Lavoro di un sistema soggetto a forze posizionali conservative.

Il lavoro di un sistema soggetto a una forza posizionale conservativa è uguale alla variazione del potenziale di tale forza valutato tra gli estremi del percorso:

q = ¨(S) − ¨(U)

DIM: Per definizione, una forza è detta conservativa se esiste una funzione scalare U tale che:

ó⃗ = ∇¨ = ìƨ

ÆD,ƨ

ÆE,ƨ

Æõî

Allora il lavoro di tale forza lungo un percorso tra gli estremi A e B sarà, per definizione:

q = ™ ó⃗ ⋅ KA0

/

= ™ ìƨ

ÆD,ƨ

ÆE,ƨ

Æõî ⋅ (KD, KE, Kõ)

0

/

= ™ ìƨ

ÆDKD +ƨ

ÆEKE +ƨ

ÆõKõî

0

/

=

= ™ K¨

0

/ = ¨(S) − ¨(U)

⟹ q = ¨(S) − ¨(U) 58) Principio di conservazione dell’energia meccanica.

Per un sistema meccanico soggetto a forze attive conservative, con vincoli perfetti e esterni fissi, l’energia meccanica Ø = ¢ + ∞ = ¢ − ¨ è costante nel tempo.

Versione libro: Consideriamo un sistema sottoposto a vincoli ideali, bilateri e fissi.

Supponiamo inoltre che le forze attive siano conservative e sia U il loro potenziale. In tal caso l’energia meccanica si conserva:

Ø = ¢ − ¨ ≡ GHILPJL?.

DIM.PROF: Per il teorema dell’energia cinetica in forma integrale si ha che:

Δ¢ = q

Dato che le forze a cui è soggetto il corpo sono conservative, si ha che ammettono il potenziale U e il loro lavoro tra gli estremi A e B sarà:

q = ¨(S) − ¨(U) Sostituendo dunque otteniamo che:

Δ¢ = ¢(S) − ¢(U) = ¨(S) − ¨(U) T(A) + U(A) = T(B) + U(B)

Ø(U) = Ø(S) Quindi l’energia meccanica si conserva.

DIM.LIBRO: La conservazione dell’energia ¢ − ¨ ≡ GHILPJL? è equivalente alla richiesta

¢̇ = ¨̇. Alla luce del teorema dell’energia cinetica, l’energia meccanica si conserva tutte e sole le volte che sia possibile esprimere la potenza di tutte le forze come derivata del potenziale:

Π = ¨̇

Nel caso di forze attive conservative, la formula qui sopra è soddisfatta. Affinché, però, la potenza di tutte le forze soddisfi la richiesta qui sopra bisogna accertare che le reazioni vincolari non esplichino potenza e ciò è garantito dalla richiesta di vincoli ideali, bilateri e fissi.

DIM: Dato che il peso è una forza conservativa, esiste una funzione U tale che ó⃗ = ∇¨.

Possiamo esprimere la forza peso come:

ó⃗ = ê•⃗ = −ê•c> = (0,0, −ê•) E per la definizione di forza conservativa, abbiamo quindi che:

∇¨ = ìƨ

ÆD,ƨ

ÆE,ƨ

Æõî = (0,0, −ê•) Integrando tale relazione, si ottiene che:

¨ = −ê•õ + GHIL 60) Potenziale di una forza elastica.

Il potenziale della forza elastica ó⃗ = −c(S − U) GHJ c ≥ 0 è ¨ = −J.cI. con s distanza tra A e B.

DIM: Consideriamo una molla posta tra due estremi A e B. Allora avremo che:

ó⃗/ = −c(U − S) ó⃗0= −c(S − U)

Ora consideriamo il gradiente della funzione ¨ = −J.cI. = −J

.cUS. valutato in B:

∇¨|0 = −1

2c ∑ÆUS.

ÆD ,ÆUS.

ÆE ,ÆUS. Æõ ∏ |0 Dove US. = (D0− D/).+ (E0− E/).+ (õ0− õ/).. Dunque:

= −1

2c ∑ÆUS.

ÆD ,ÆUS.

ÆE ,ÆUS.

Æõ ∏ |0 = −1

2c[2(D0− D/), 2(E0− E/), 2(õ0− õ/)]

= −c(S − U) = ó⃗0

Il procedimento è analogo per ó⃗/: basta valutare il gradiente in A invece che in B.

61) Coppia costante applicata ad un corpo rigido piano.

Una coppia costante applicata ad un corpo rigido piano ammette il seguente potenziale:

¨ = ±T6

Dove C è il modulo del momento della coppia e 6 è l’angolo di rotazione del corpo.

DIM: Per il teorema dell’energia cinetica in forma integrale abbiamo che Δ¢ = q = Δ¨.

Derivando rispetto al tempo otteniamo:

KL = Π =K¨

Dove l’uguaglianza centrale segue dal teorema dell’energia cinetica in forma differenziale. KL Quindi se la forza è conservativa, la derivata del potenziale coincide con la potenza e quindi possiamo dire che:

Π = ±T6̇ =K¨

Dato che la coppia è costante (T = GHIL), integrando nel tempo si ottiene che: KL

¨ = ±T6 62) Sistemi equivalenti (Teorema tratto da appunti Abbà).

Due sistemi di forze ö ? ö′ sono equivalenti se e solo se hanno uguale risultante ed ugual momento rispetto ad uno stesso punto.

DIM: Poiché le operazioni invariantive di composizione e scorrimento non alterano risultante e momento, l’uguaglianza di risultante e momento è condizione necessaria di equivalenza. Infatti:

a) Composizione e Scomposizione:

Se ó⃗ = ó⃗J + ó⃗. è immediato vedere che il risultante t9⃗ è lo stesso in entrambi i casi, mentre il momento rispetto al polo O:

ï99⃗5= (A − C) ∧ ó⃗J+ (A − C) ∧ ó⃗. = (A − C) ∧ Mó⃗J+ ó⃗.N = (A − C) ∧ ó⃗

Quindi i due momenti coincidono.

b) Scorrimento:

È evidente che se facciamo scorrere una forza lungo la sua retta d’azione, il risultante rimane lo stesso. Per il momento rispetto al polo O si ha:

ï99⃗5 = (A − C) ∧ ó⃗ = [(A − É) + (É − C)] ∧ ó⃗ =

= (A − É) ∧ ó⃗ + (É − C) ∧ ó⃗ = (É − C) ∧ ó⃗

⟹ (A − C) ∧ ó⃗ = (É − C) ∧ ó⃗

Dove il prodotto vettore (A − É) ∧ ó⃗ è nullo perché P e Q appartengono alla stessa retta di applicazione di ó⃗ e quindi (A − É) ∥ ó⃗.

Inoltre la condizione è anche sufficiente per le proprietà sul trasporto di una forza da un punto ad un altro e sulla somma di coppie di forze.

63) Invariante scalare e polo del momento.

L’invariante scalare di un sistema di forze è indipendente dal polo rispetto al quale si calcola il momento.

DIM: Sia ù = t9⃗ ⋅ ï99⃗5 l’invariante scalare di un sistema di forze qualunque calcolato rispetto ad un generico polo O. Consideriamo ora l’invariante I’ calcolato rispetto al polo O’:

ùO = t9⃗ ⋅ ï99⃗5!

ÖH4êëÜP K?Ü L4PI^H4LH

= t9⃗ ⋅ ßï99⃗5+ t9⃗ ∧ (CO− C)® =

= t9⃗ ⋅ ï99⃗5+ t9⃗ ⋅ ßt9⃗ ∧ (CO − C)® = t9⃗ ⋅ ï99⃗5+ (CO− C) ⋅ ßt9⃗ ∧ t9⃗® = t9⃗ ⋅ ï99⃗5 = ù Quindi I = I’ come volevasi dimostrare.

64) Invariante nullo e punto in cui si annulla il momento (fatta in classe).

Supponiamo che un sistema di forze ö abbia invariante scalare nullo (ù = 0). Allora la seguente formula individua il punto rispetto al quale il momento si annulla:

(C∫ − C) =t9⃗ ∧ ï99⃗5 t. Dove O indica il vecchio polo.

DIM: Dimostriamo che tale formula è vera. Il momento rispetto a C∫ si ottiene con la formula del trasporto:

ï99⃗5P = ï99⃗5+ t9⃗ ∧ (C∫ − C) = ï99⃗5+ t9⃗ ∧ ∑t9⃗ ∧ ï99⃗5 t. ∏ =

= ï99⃗5+ 1

t.ßMt9⃗ ⋅ ï99⃗5Nt9⃗ − t.ï99⃗5® = ï99⃗5− ï99⃗5 = 0

⟹ ï99⃗5P = 0

Se ù = 0 ? t9⃗ ≠ 0, esiste un asse, detto retta di applicazione della risultante, di equazione (C − U) = t9⃗ ∧ ï99⃗/

t. + ªt9⃗

DIM: Il fatto che l’invariante scalare sia nullo può essere dovuto al fatto che esiste almeno un punto rispetto a cui il momento risultante ï99⃗ o è nullo o è un vettore ortogonale alla risultante t9⃗.

In questo secondo caso, dalla formula di trasporto dei momenti:

ï99⃗B = ï99⃗5+ (C − É) ∧ t9⃗

Esisterà almeno un punto O rispetto a cui il momento ï99⃗5 = 0 in modo che ï99⃗B ⊥ t9⃗, e si ricade quindi nel primo caso.

Si vuole allora determinare il punto O rispetto a cui il momento risultante della sollecitazione sia nullo e che soddisfa la relazione:

ï99⃗B = (C − É) ∧ t9⃗

Per risolvere tale equazione vettoriale si moltiplichino vettorialmente per t9⃗ ambo i membri dell’equazione

t9⃗ ∧ ï99⃗B = t9⃗ ∧ ß(C − É) ∧ t9⃗®

Applicando le proprietà del doppio prodotto vettoriale:

t9⃗ ∧ ï99⃗B = t9⃗ ⋅ t9⃗(C − É) − t9⃗ ⋅ (C − É)t9⃗

Si ottiene

(C − É) =t9⃗ ∧ ï99⃗B

t. +t9⃗ ⋅ (C − É) t. t9⃗

Che è l’equazione parametrica di una retta avente direzione parallela al risultante t9⃗; tale retta, luogo dei punti rispetto a cui il momento risultante è nullo, costituisce la retta di applicazione del risultante della sollecitazione agente sul corpo rigido.

66) Invariante scalare di un corpo rigido piano.

L’invariante scalare di un corpo rigido piano soggetto unicamente a forze che giacciono nello stesso piano del corpo è sempre nullo.

DIM: Supponiamo che tutte le forze appartengano al piano in cui si muove il corpo rigido.

Allora il momento risultante:

ï99⃗5 = ñ(A"− C) ∧ ó⃗"

"

È ortogonale a tale piano per le proprietà del prodotto vettoriale. Ovviamente, dato che tutte le forze appartengono al piano, il risultante

t9⃗ = ñ ó⃗"

"

Apparterà anch’esso al piano. Quindi, per le proprietà del prodotto scalare, si ha che l’invariante scalare è nullo e quindi esiste un punto rispetto a cui il momento è nullo.

67) Invariante scalare di un sistema di forze parallele.

Un sistema di forze parallele ha invariante scalare nullo.

DIM: Se la risultante delle forze è nulla, ricadiamo nel caso banale e si ha ovviamente che I=0.

Ora supponiamo che t9⃗ ≠ 0 e valutiamo I. Il momento, se le forze sono tutte dirette lungo la direzione c> come da definizione di sistema di forze parallele, sarà dato da:

ï99⃗5 = ñ(A" − C) ∧ ó⃗"

"

= ñ(A"− C) ∧ ó"c>

"

= ñ ó"(A" − C) ∧ c>

"

Il membro di destra del prodotto vettoriale non dipende dall’indice, quindi si ha che:

ñ ó"(A"− C) ∧ c>

"

= üñ ó"(A"− C)

"

† ∧ c>

Per le proprietà del prodotto vettoriale, si evince che il momento è necessariamente perpendicolare al versore c>, mentre t9⃗ ∥ c>. Quindi, per le proprietà del prodotto scalare, si ha che:

ù = t9⃗ ⋅ ï99⃗5 = 0 68) Centro di forze parallele e momento.

Il momento di un sistema di forze parallele rispetto al centro delle forze parallele è nullo, il quale è individuato dal vettore:

(T − C) =∑ ó" "(A" − C) t

DIM: Calcoliamo il momento rispetto a C, supponendo che le forze siano dirette lungo la direzione c>:

ï99⃗4 = ñ(A" − T) ∧ ó⃗"

"

= ñ(A"− T) ∧ ó"c>

"

= üñ ó"(A" − T)

"

† ∧ c>

Per come è stato definito C, il membro tra parentesi quadre è nullo. Infatti:

(T − T) =∑ ó" "(A" − T)

t = 0 ⟹ ñ ó"(A"− T)

"

= 0 Quindi segue che:

ï99⃗4 = 0.

69) Baricentro e centro di massa.

Per un corpo rigido si ha che baricentro e centro di massa coincidono.

DIM: Per definizione il baricentro G è il centro delle forze parallele della forza peso, la quale è espressa come ó⃗ = −ê•c>. Quindi, sostituendo nella formula ricavata in (68):

(ò − C) =∑ ó" "(A" − C)

t =∑ −ê" "•(A" − C)

−ê• = ∑ ê" "(A"− C)

ê

Il risultato appena ottenuto coincide esattamente con la definizione di centro di massa, quindi il baricentro e il centro di massa di un corpo rigido coincidono.

70) Relazione simbolica della dinamica.

Sia {(A", ê"), @ = 1, … , J} un sistema di unti materiali liberi oppure sottoposti a vincoli ideali. Sia inoltre øMA", ó⃗"N, @ = 1, … , J¿ il sistema di forze attive agenti sul sistema. Allora per ogni insieme di spostamenti virtuali {(A", ¡A"), @ = 1, … , J} ammessi dai vincoli vale la seguente relazione simbolica della dinamica:

(N.B: Il teorema pag. 315 del libro dice una cosa noi diversa: noi qui ci proponiamo semplicemente di ricavarla).

DIM: Consideriamo la relazione fondamentale della dinamica per un sistema sottoposto sia a forze attive sia a forze reattive esplicate da vincoli ideali:

ê"P⃗" = ó⃗"+ Φ999⃗" ∀A": @ = 1, … , J

Moltiplichiamo scalarmente entrambi i membri per lo spostamento virtuale ¡A" e sommiamo su tutti i punti:

ñ ê"P⃗"⋅ ¡A"

8

"QJ

= ñMó⃗" + Φ999⃗"N ⋅ ¡A"

8

"QJ

ñMó⃗"− ê"P⃗"N ⋅ ¡A"

8

"QJ

= − ñ Φ999⃗"⋅ ¡A"

8

"QJ

Dato che stiamo considerando un sistema meccanico sottoposto a vincoli ideali, proprio per la definizione di questi ultimi si ha che:

ñ Φ999⃗"⋅ ¡A"

8

"QJ

≥ 0 ⟹ − ñ Φ999⃗" ⋅ ¡A"

8

"QJ

≤ 0 E quindi otteniamo:

8"QJMó⃗" − ê"P⃗"N ⋅ ¡A" ≤ 0.

71) Equazione simbolica della dinamica.

Sia {(A", ê"), @ = 1, … , J} un sistema di unti materiali liberi oppure sottoposti a vincoli ideali bilateri. Sia inoltre øMA", ó⃗"N, @ = 1, … , J¿ il sistema di forze attive agenti sul sistema.

Allora per ogni insieme di spostamenti virtuali {(A", ¡A"), @ = 1, … , J} ammessi dai vincoli vale la seguente equazione simbolica della dinamica:

ñMó⃗"− ê"P⃗"N ⋅ ¡A"

8

"QJ

= 0

DIM: Dato che il sistema è sottoposto a vincoli ideali, vale sicuramente la relazione simbolica della dinamica:

ñMó⃗"− ê"P⃗"N ⋅ ¡A"

8

"QJ

≤ 0

La quale vale per ogni spostamento virtuale ammesso dai vincoli a cui è sottoposto il sistema. Inoltre, dato che il sistema è soggetto a vincoli bilateri, si ha che ogni spostamento infinitesimo ¡É" = −¡A" è a sua volta uno spostamento virtuale (ovvero tutti i suoi

spostamenti virtuali sono reversibili), quindi deve anche valere:

ñMó⃗" − ê"P⃗"N ⋅ ¡É"

8

"QJ

≤ 0

ñMó⃗" − ê"P⃗"N ⋅ (−¡A")

8

"QJ

≤ 0

ñMó⃗"− ê"P⃗"N ⋅ ¡A"

8

"QJ

≥ 0

Ma dunque, dato che l’espressione ∑ Mó⃗8"QJ " − ê"P⃗"N ⋅ ¡A" deve essere

contemporaneamente non negativa e non positiva, si deve avere necessariamente che:

ñMó⃗"− ê"P⃗"N ⋅ ¡A"

8

"QJ

= 0

72) Equazioni di Lagrange.

Sia ö un sistema soggetto a vincoli olonomi, ideali e bilateri con n gradi di libertà. Allora si ha che:

DIM: Dato che il sistema è sottoposto a vincoli ideali e bilateri, è verificata l’equazione simbolica della dinamica:

ñMó⃗"− ê"P⃗"N ⋅ ¡A"

8

"QJ

= 0

Però, dato che il sistema è olonomo, possiamo riscrivere lo spostamento virtuale:

ñMó⃗"− ê"P⃗"N ⋅ ¡A"

Dato che le somme sono finite, possiamo commutarle ottenendo:

ñMó⃗" − ê"P⃗"N ⋅ ñÆA"

73) Equazioni pure del moto (Dimostrazione del fatto che !S = $S per sistemi soggetti a vincoli olonomi, bilateri e ideali).

L’equazione simbolica della dinamica è equivalente alle seguenti N equazioni tra loro indipendenti:

ÉD = ´; ∀c = 1, … , ≈

Dove N è il numero dei gradi di libertà del sistema soggetto a vincoli ideali, olonomi e bilateri considerato.

(N.B: Questo equivale a dimostrare che le componenti lagrangiane devono eguagliarsi, sul quaderno alla lezione 14 del 27/10/2020 abbiamo fatto la dimostrazione simile per N=2).

DIM: La sufficienza è evidente. Infatti, se ogni ÉD risulta essere uguale al rispettivo ´D, evidentemente ogni addendo della somma ∑8DQJD− ´D)¡ƒD sarà nullo per ogni scelta degli spostamenti virtuali, e nulla sarà anche la loro somma.

Per dimostrare invece la necessità delle equazioni, dobbiamo utilizzare la libertà che abbiamo di scegliere a piacere gli spostamenti virtuali delle coordinate libere (tale libertà è dovuta al fatto che per definizione le coordinate libere di un sistema sono indipendenti tra loro e quindi possono essere variate a piacere). Scegliamo ad arbitrio una coordinata libera (sia essa, per esempio, la k-esima) e consideriamo il seguente insieme di spostamenti virtuali:

¡ƒDT ≠ 0 ? ¡ƒD ^?4 H•J@ c ≠ c∆

Stiamo quindi spostando solo la c∆ − ?I@êP coordinata libera. La somma ∑8DQJD− ´D) ⋅

¡ƒD = 0 deve valere per ogni scelta degli spostamenti virtuali, e quindi anche per quella appena descritta. Essendo nulli tutti i ¡ƒD (meno quello c∆ − ?I@êH), la somma si semplifica e diventa:

ñ(ÉD− ´D)¡ƒD

8

DQJ

= (ÉDT− ´DT)¡ƒDT = 0 GHJ ¡ƒDT ≠ 0

Il che porta a concludere ÉDT = ´DT. L’arbitrarietà della scelta di c∆ implica che in realtà ÉD=

´D per ogni c = 1, … , J.

74) Binomi lagrangiani (riscrittura del $S).

Sia T l’energia cinetica di un sistema olonomo di coordinate libere {ƒJ, … , ƒ8} soggetto a vincoli ideali e bilateri. Allora le componenti lagrangiane dell’opposto delle forze d’inerzia soddisfano la seguente identità:

´D = K KLìÆ¢

ƃ̇Dî − Æ¢

ƃD ∀c = 1, … , J

Le quantità a membro destro di tale identità vengono chiamate binomi lagrangiani.

DIM: Partiamo dalla definizione di componenti lagrangiane dell’opposto delle forze d’inerzia:

Come diretta conseguenza della regola di derivazione del prodotto di due funzioni, vale la seguente identità:

Consideriamo dunque il primo addendo:

ñ ê" K

KLì8⃗"⋅ ÆA"

ƃDî

R

"QJ

In quanto il sistema considerato è olonomo, vale la seguente identità:

ÆA"

ƃD = Æ8⃗"

ƃ̇D

Tale identità segue dalla definizione di velocità effettiva, la quale è esprimibile come:

8⃗" = ñÆA" I “coefficienti” UVU!"

# e U!U)" sono funzioni di (ƒJ, … , ƒ8, L) ma non di (ƒ̇J, … , ƒ̇8) perché il

sistema è olonomo, quindi le 8⃗" sono funzioni lineari di ƒ̇D e posso riscrivere:

8⃗" = PDƒ̇D+ m

Quindi, derivando parzialmente rispetto a ƒD, otteniamo l’identità:

ÆA" Ora consideriamo il secondo addendo del ´D:

ñ ê"8⃗" ⋅ K

Abbiamo che per i sistemi olonomi vale la seguente identità:

K KLìÆA"

ƃDî = Æ ÆƒDìKA"

KLî Ovvero è possibile commutare le derivate. Infatti:

K E da ciò si vede che le due espressioni coincidono. Dunque, sostituendo:

ñ ê"8⃗"⋅ K

75) Componenti lagrangiane delle sollecitazioni attive per sistemi soggetti a forze conservative.

Sia ö un sistema olonomo soggetto a vincoli ideali e bilateri e a forze attive conservative che ammettono un potenziale U. Allora le componenti lagrangiane delle sollecitazioni attive si possono scrivere come:

ÉD = ƨ

ƃD

DIM: Dato che le forze attive sono conservative, esse per definizione ammettono un potenziale U tale che:

ó⃗ = ∇¨ = ìƨ

ÆD,ƨ

ÆE,ƨ

Æõî Sempre per definizione, abbiamo che:

ÉD = ó⃗ ⋅ ÆA

Quindi, sostituendo le espressioni di UF e della derivata parziale di P, otteniamo:

ÉD= ó⃗ ⋅ ÆA 76) Equazioni di Lagrange nel caso conservativo.

Per un sistema olonomo soggetto a vincoli ideali e bilateri e sottoposto all’azione di forze attive conservative, le equazioni di Lagrange si possono riscrivere nella forma:

K KLìÆℒ

ƃ̇Dî − Æℒ ƃD = 0 Dove ℒ = ¢ + ¨ è detta funzione Lagrangiana o Lagrangiana.

DIM: Partendo dalle equazioni di Lagrange, abbiamo che:

K KLìÆ¢

ƃ̇Dî − Æ¢

ƃD = ÉD

Ma il sistema è soggetto a forze conservative che ammettono un potenziale U, quindi:

K

Dato che il potenziale non dipende dalle velocità, le derivate di T+U rispetto alle ƒ̇D coincidono con le rispettive derivate dell’energia cinetica, ovvero possiamo scrivere:

Æ¢

ƃ̇D =Æ(¢ + ¨) ƃ̇D Quindi otteniamo la tesi:

K 77) Equazioni di Lagrange in prima forma.

Consideriamo un sistema ö soggetto a vincoli ideali, olonomi e bilateri con n gradi di libertà. Prendiamo in considerazione r coordinate del sistema DJ, … , D& con 4 > J (ovvero in numero superiore ai gradi di libertà). Tali coordinate saranno legate tra loro da s

relazioni di vincolo:

YX(DJ, … , D&, L) = 0 ℎ = 1, … , I

Con J = 4 − I. Ora, dato che i vincoli sono ideali, olonomi e bilateri, abbiamo:

ñMó⃗"− ê"P⃗"N ⋅ ¡A"

R

"QJ

= 0

Nella quale compare lo spostamento virtuale ¡A", che può essere a sua volta riscritto come:

In questo caso però, a differenza delle equazioni della seconda forma, le coordinate non sono indipendenti tra di loro e quindi non è detto che la somma si annulli ponendo ÉD =

´D per ogni k. La somma però risulta nulla se poniamo ÉD− ´D = ñ ªXÆYX

ÆDD

A

Dove ªX ∈ ℝ sono i cosiddetti moltiplicatori di Lagrange. XQJ

Dimostriamo che tale affermazione è vera:

ñ(ÉD− ´D)¡DD

Quindi il termine tra parentesi tonde nella precedente equazione è nullo, ovvero si ha che, ponendo ÉD− ´D = ∑ ªXUYUZ$

#

AXQJ , la somma ∑&DQJD− ´D)¡DD si annulla e la dimostrazione è conclusa.

In definitiva otteniamo un sistema I + 4 equazioni in I + 4 incognite dato da r equazioni di Lagrange e s equazioni di vincolo:

K

78) Funzione di Hamilton e Lagrangiana.

Sia ö un sistema olonomo di coordinate libere {ƒJ, … , ƒ8} soggetto a vincoli ideali e bilateri e a forze attive conservative. Allora la derivata temporale della funzione di Hamilton definita come

ℋ = ñ ^Dƒ̇D

8

DQJ

− ℒ

È legata alla dipendenza esplicita della lagrangiana dal tempo, ovverosia:

Kℋ

KL = −Æℒ ÆL

DIM: Deriviamo totalmente rispetto al tempo la funzione di Hamilton sfruttando la regola di derivazione del prodotto di funzioni:

Kℋ

Ora sviluppiamo la derivata totale della Lagrangiana considerando che è una funzione composta in più variabili, ciascuna dipendente dal tempo:

ℒ(ƒD, ƒ̇D, L) ⟹ Kℒ Ora analizziamo il primo dei tre addendi: dato che il sistema è olonomo e soggetto a vincoli ideali e bilateri e a forze attive conservative, sappiamo dalle equazioni di Lagrange in II forma che:

E infine, sostituendo nella formula che esprime la derivata dell’Hamiltoniana:

Kℋ

Da quest’ultimo risultato segue inoltre che, se la lagrangiana non dipende esplicitamente ÆL dal tempo ÄUℒU) = 0Å, allora l’hamiltoniana è un integrale primo del moto detto Integrale Generalizzato dell’Energia.

79) Hamiltoniana ed energia meccanica, Teorema di Eulero.

Consideriamo un sistema ö olonomo di n coordinate libere, con vincoli ideali e bilateri e soggetto a forze conservative. Se i vincoli esterni a cui è sottoposto il sistema sono fissi, allora la funzione di Hamilton coincide con l’energia meccanica:

n ≡ Ø = ¢ − ¨

DIM: Per dimostrare questo teorema, è sufficiente dimostrare la veridicità dell’identità:

ñ ^Dƒ̇D

8

= 2¢

Infatti, se vale questa, dalla definizione di Hamiltoniana possiamo dire:

ℋ = ñ ^Dƒ̇D

8

DQJ

− ℒ = 2¢ − (¢ − ¨) = ¢ + ¨ = Ø

Dimostriamo dunque l’identità. In generale, la definizione di energia cinetica è:

¢ = ñ1 2ê"8".

R

"QJ

E abbiamo che per i sistemi olonomi la velocità è esprimibile come:

8⃗" = KA"J, … , ƒ8, L)

E, dal momento che i vincoli esterni sono fissi, possiamo immediatamente dire che U!U)" = 0, ovvero:

8⃗" = ñÆA"

ƃDƒ̇D

8

Sostituendo dunque tale espressione della velocità nella formula dell’energia cinetica DQJ

otteniamo:

Possiamo ora risistemare le somme ottenendo:

Possiamo ora risistemare le somme ottenendo: