Fisica cinematica: le cose da sapere sul moto di un oggetto

Se dico “fisica cinematica” cosa ti viene in mente?

Non so te, ma quando penso a fisica mi vengono in mente solo una macchina che si ribalta su una rampa di GTA 5.
Figuriamoci se ci aggiungiamo a fianco una parola come “cinematica” perché inizio a volare e tutto ciò che mi viene in mente è “cinematic universe” con una riflessione su Doctor Strange 2, che mi è piaciuto, ma non troppo perché c’era già molta Disney in mezzo e cose così 🤷‍♂️

Tornando a noi, magari tu hai tutto ben chiaro sull’argomento e non appena hai letto la domanda qui sopra hai elencato ai tuoi amichetti (con un odioso audio WhatsApp da 3:20 minuti) tutti i tipi di moto della fisica e sai tutto su grandezze, velocità angolari, leggi orarie e tutte le altre nozioni che riguardano l’argomento.

Invece, se (come me) stai pensando a chi prenderà il posto di Thanos nella prossima fase ti consiglio di provare a concentrarti e capire che la cinematica è quella branca della fisica che descrive il moto degli oggetti senza preoccuparsi delle cause che lo generano.

Cioè, capito? Non si preoccupa, sta nel chill 😎🍹 Scherzi a parte, per capire questo tema bisogna pensare alla fisica cinematica come a un osservatore imparziale che prende nota di come gli oggetti si muovono nello spazio, senza occuparsi di chi o cosa li sta spingendo.

Fisica non è sempre la materia più facile e intuitiva, ma prometto che proverò a rendere il tutto più digeribile, come il kefir dopo un kebab (ti consiglio questa combo se non l’hai ancora provata 🌮+🥛=🧡).

Nei prossimi scroll ci concentreremo su accelerazioni, velocità, spostamenti e tipi di moto della fisica che potresti incontrare durante i tuoi giorni di scuola o nei test TOLC Cisia per l’ammissione alle università a numero chiuso.

Fisica cinematica e i moti rettilinei: doppietta “veloce”

Iniziamo con due “facce note” nella fisica, cioè:

• moto rettilineo uniforme (MRU);
• moto rettilineo uniformemente accelerato (MRUA).

Per intenderci, uno dei due (MRU) è quello di “velocità uguale a spazio fratto tempo” (se non la ricordi non c’è problema, la vediamo tra poco 😉).

Li abbiamo già incontrati in un episodio precedente (lo trovi qui), ma li rivediamo al volo per non perderci nulla.

Il moto rettilineo uniforme descrive un oggetto che si muove lungo una linea retta con una velocità costante.
Senza cambiamenti o drammi, solo una vita tranquilla.

Il moto rettilineo uniformemente accelerato, invece, descrive lo spostamento di un oggetto con accelerazione costante.

Ciò vuol dire che in questo tipo di moto la velocità dell’oggetto aumenta o diminuisce in modo uniforme nel tempo (in base all’accelerazione).

Questi due moti sono importanti da conoscere e capire, perché in fondo, sono i due lati della medaglia della cinematica.

Per approfondirli al meglio è necessario conoscere le rispettive leggi orarie.

La legge oraria del moto rettilineo uniforme descrive la posizione di un oggetto in funzione del tempo quando si muove a velocità costante lungo un percorso rettilineo. Questa legge oraria si può esprimere con la seguente formula:

s = s₀ + v*t

Spieghiamola:

• s è la posizione finale dell’oggetto;
• s₀ è riferita la posizione iniziale;
• v indica la velocità costante;
• t è il tempo trascorso.

Tale formula ci fa capire che la posizione dell’oggetto ad un certo tempo t è data dalla posizione iniziale più la distanza percorsa, che è il prodotto tra la velocità e il tempo trascorso.

Le lettere che abbiamo utilizzato nella formula non sono casuali, infatti esse sono i simboli delle grandezze cinematiche.

Cosa sono le grandezze cinematiche?

Sono le grandezze fisiche che descrivono il moto di un corpo senza tenere conto delle cause che lo hanno generato.

Esse riguardano il movimento di un oggetto nello spazio e nel tempo e permettono di analizzare e prevedere la posizione, la velocità e l’accelerazione di un corpo in movimento.

Conosciamole meglio per avere un quadro completo.

• Posizione (s): indica la posizione di un corpo in un determinato istante rispetto a un sistema di riferimento. Può essere univoca (unidimensionale) o vettoriale (bidimensionale o tridimensionale), a seconda della complessità del moto.
  
• Velocità (v): rappresenta la variazione della posizione di un corpo nel tempo. Si tratta di una grandezza vettoriale, che ha sia direzione, sia intensità. La velocità può essere uniforme (costante nel tempo) o variabile (quando cambia nel tempo).
  
• Accelerazione (a): esprime la variazione della velocità nel tempo. È anch’essa una grandezza vettoriale e indica quanto rapidamente cambia la velocità di un corpo. L’accelerazione può essere costante (come nel caso del moto uniformemente accelerato) o variabile.

Studiare le grandezze cinematiche è fondamentale per comprendere e analizzare il moto di oggetti e sistemi in ambito fisico.

Qui sotto trovi un nostro video YouTube in cui spieghiamo tutto quello che c’è da sapere.

Altri tipi di spostamento in fisica

Capire le grandezze cinematiche e i moti rettilinei ci permette di fare anche altre considerazioni su altri tipi di spostamento dei corpi nella fisica cinematica.

Infatti, dalla comprensione delle componenti dell’accelerazione possiamo arrivare a capire anche il lancio in verticale (o “caduta dei gravi“).
Il lancio in verticale è un tipo di moto in cui un corpo viene lanciato verso l’alto o verso il basso con una velocità iniziale. Durante questo moto, il corpo è soggetto all’accelerazione di gravità (g), che agisce verso il basso.

Nel caso della caduta dei gravi, consideriamo un corpo inizialmente fermo che cade sotto l’effetto della gravità.

La legge oraria del lancio in verticale può essere espressa tramite le seguenti formule per la velocità e per la posizione:

• v = v₀ – gt (verso l’alto);
• v = v₀ + gt (verso il basso);
  
• s = s₀ + v₀t – 0.5gt² (verso l’alto);
• s = s₀ + v₀t + 0.5gt² (verso il basso).

Moto parabolico e traiettoria del proiettile

In più, c’è un altro tipo di moto da conoscere quando un corpo viene “lanciato in aria”. Questo è il moto parabolico ed è un tipo di spostamento bidimensionale, che si verifica con una velocità iniziale obliqua rispetto al suolo.

Il moto parabolico può essere considerato come la combinazione di due moti indipendenti:

• un moto rettilineo uniforme (MRU) lungo l’asse orizzontale;
• un moto rettilineo uniformemente accelerato (MRUA) lungo l’asse verticale.

Le formule che descrivono il moto parabolico includono:

• Posizione orizzontale: x = x₀ + v₀xt;
• Posizione verticale: y = y₀ + v₀yt – 0.5gt²;
• Velocità orizzontale: vx = v₀x (costante);
• Velocità verticale: vy = v₀y – g*t.

Anche qui ti lascio un nostro video dedicato all’argomento, trovi tutta la teoria in breve e alcuni esercizi ed esempi pratici molto utili.

Fisica cinematica: i moti non rettilinei

La traiettoria e le forze che agiscono su un oggetto in movimento non sono tutte uguali nella fisica cinematica.

Infatti, oltre ai moti rettilinei e al moto parabolico abbiamo anche due moti non lineari della fisica cinematica, cioè:

• il moto circolare;
• il moto armonico.

Vediamo di conoscerli e capirli meglio.

A differenza dei moti rettilinei, il moto circolare avviene lungo una traiettoria circolare.

Un oggetto in moto circolare si muove intorno a un punto fisso chiamato centro di rotazione e può seguire due tipi di velocità angolare:

• costante (moto circolare uniforme);
• variabile (moto circolare non uniforme).

In questo caso, la forza centripeta agisce sull’oggetto e lo tiene lungo la traiettoria circolare.

Le grandezze che caratterizzano il moto circolare sono:

• velocità angolare (ω) -> indica la variazione dell’angolo per unità di tempo;
• accelerazione centripeta (aC) -> è diretta verso il centro della circonferenza e tiene il corpo in moto circolare;
• accelerazione tangenziale (aT) -> è diretta lungo la tangente alla traiettoria e provoca una variazione del modulo della velocità.

Le formule che descrivono il moto circolare includono:

• velocità lineare -> v = ωr;
• accelerazione centripeta -> aC = ω²r = v²/r;
• accelerazione tangenziale (solo nel moto circolare accelerato) -> aT = α*r.

Moto armonico

Passiamo all’ultimo protagonista di questo episodio, il moto armonico.
Quest’ultimo è un tipo di moto oscillatorio che avviene quando un oggetto si muove avanti e indietro lungo una linea retta.
La posizione dell’oggetto varia nel tempo seguendo una funzione sinusoidale o cosinusoidale.

Un classico esempio che permette di capire l’oscillazione è il moto di una massa attaccata a una molla.

Ti lascio anche qui un video per approfondire il moto armonico con esempi, grafici ed esercizi.

Il sistema massa-molla ci permette di capire che le forze che agiscono sull’oggetto sono proporzionali alla distanza dall’equilibrio e opposte alla direzione del moto.

In parole semplici, quando un oggetto è in movimento seguendo un moto armonico ci sono delle forze che cercano di farlo tornare al punto da cui è partito (il suo punto di equilibrio).

Queste forze diventano più intense man mano che l’oggetto si allontana dal punto di equilibrio. Nel moto armonico, le forze che agiscono sull’oggetto sono proporzionali alla distanza dall’equilibrio e opposte alla direzione del moto.

La formula che descrive il moto armonico è:

x(t) = A * cos(ω * t + φ)

Spieghiamola:

• x(t) è la posizione dell’oggetto al tempo t;
• A è l’ampiezza dell’oscillazione;
• ω è la pulsazione (2π * frequenza);
• φ è la fase iniziale.

Moto del pendolo

Per approfondire il sistema massa-molla, possiamo utilizzare un altro esempio di oscillazione: il moto del pendolo.

Prendiamo la stessa massa attaccata a una molla, ma la facciamo oscillare su e giù.

Il moto in questo caso segue la legge di Hooke, che stabilisce che la forza esercitata dalla molla è proporzionale all’allungamento (o compressione) della molla stessa:

F = –k * x

Spieghiamola:

• F è la forza esercitata dalla molla;
• k è la costante elastica della molla;
• x è l’allungamento (o compressione) della molla rispetto alla posizione di equilibrio.

Bene! Siamo arrivati alla fine di questo episodio, ma non devi essere triste 🥲 perché usciranno tante nuove puntate dedicate a ogni argomento che abbiamo citato qui.

Se proprio tu non riuscissi a stare senza puoi dare un’occhiata alla nostra playlist YouTube con tutti i video completi 😉🧠.

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Ciao Doctorz, alla prossima! 🚀