Fisica: la cinematica

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Difficoltà: media
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Introduzione

La cinematica è un ramo della fisica meccanica che si occupa dello studio del moto dei corpi, indipendentemente dalle cause che lo hanno provocato, allo scopo di determinare le equazioni e le leggi che lo descrivono. A tale scopo, la cinematica si può pensare e semplificare come la geometria di uno spazio vettoriale formato dalle tre coordinate dello spazio e da quella del tempo. Il termine "cinematica" venne coniato da Ampere, anche se si può affermare che la cinematica moderna nasce già con gli studi di Galileo Galilei.

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Occorrente

  • Manuale di fisica
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Premesse

Per comprendere la cinematica si parte dallo studio del moto di un corpo che si può intendere, per semplicità, come puntiforme. Con l'ausilio di un piano cartesiano è possibile rappresentare il moto del corpo puntiforme individuandone la posizione in ogni istante di tempo tramite le coordinate spaziali (x, y, z); in tale modo è possibile conoscere e prevedere la posizione del corpo nello spazio a seconda dell'istante di tempo considerato. L'insieme di tutti i punti del piano che corrispondono ad una posizione occupata dal punto formano la traiettoria descritta dal corpo, che varia a seconda del moto considerato. Avendo associato ad ogni istante di tempo una posizione del corpo nello spazio, è possibile determinare una legge che esprime matematicamente la relazione che sussiste tra le coordinate spaziali e l'istante di tempo considerato; tale relazione prende il nome di legge oraria. Occorre ovviamente definire a priori le cosiddette condizioni iniziali (l'istante di tempo in cui inizia la misurazione, la posizione del corpo nell'istante iniziale, etc.) per evitare un'ambiguità di risultati tra misurazioni diverse.

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Le grandezze fisiche

Nella cinematica è indispensabile avere una concezione reale ed esatta dei parametri fisici (posizione, velocità, tempo, etc.) che si stanno analizzando, ovvero le grandezze fisiche. Per evitare errori si ricorre alla definizione operativa di Bridgam, il quale propose di definire le grandezze tramite operazioni standardizzate basate sul confronto con le unità di misura fondamentali per ottenere i valori. Una grandezza sarà pertanto rappresentata operativamente da numero reale accompagnato dall'unità di misura corrispondente. Le grandezze principali coinvolte nella cinematica sono la posizione, la velocità, l'accelerazione ed il tempo. Sono tutte grandezze tra loro dipendenti poiché dalla legge oraria si ricava la posizione in funzione del tempo, dalla posizione si ricava la velocità e dalla velocità si ricava l'accelerazione. Nelle rappresentazioni schematiche dei moti le grandezze vengono spesso rappresentate tramite vettori che ne indicano non solo l'intensità o il valore, ma anche la direzione ed il verso.

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Tipi di moto

Una volta stabilito lo stato di moto di un corpo (ovvero se è in quiete o se è in movimento) è possibile determinare anche il tipo di moto a cui il corpo è sottoposto. A seconda della relazione tra la grandezze in questione, il moto può essere: 1. Uniforme, se il corpo mantiene costante la velocità per tutta la durata del moto; 2. Uniformemente accelerato, se il corpo mantiene costante l'accelerazione per tutta la durata del moto; 3. Vario, se accelerazione e velocità sono variabili a seconda dell'istante di tempo. A seconda del tipo di traiettoria, il moto può essere: 1. Rettilineo, se la traiettoria è una linea retta o curva non chiusa; 2. Circolare, se la traiettoria è una circonferenza; 3. Parabolico, se la traiettoria descritta è una parabola (ed esempio un proiettile sparato) 4. Armonico, se la traiettoria descritta è di tipo oscillatorio (ad esempio un pendolo). 5. Kepleriano, caratteristico dei pianeti e dei corpi sottoposti alla forza di Coulomb, che descrive orbite di tipo ellittico.

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Punti di vista

Un classico esempio di cinematica è quello di un passeggero di un treno che guarda fuori dal finestrino e vede le gocce di pioggia che, in assenza di vento, si muovono sul finestrino in diagonale. Un osservatore sulla banchina, al contrario, vede le stesse gocce cadere verticalmente al suolo. Questa disparità nell'osservazione del moto delle gocce di pioggia tra i due osservatori risiede proprio nel "punto di vista" di chi sta osservando il moto: Per un osservatore fermo rispetto al suolo, il moto delle gocce è verticale; per il passeggero del treno, che si trova in movimento rispetto al suolo, il moto delle gocce è obliquo, nonostante siano le stesse gocce il cui moto per l'osservatore fermo è verticale. Dunque prima di effettuare osservazioni e misurazioni nello studio del moto dei corpi è di fondamentale importanza stabilire a priori il sistema di riferimento (ovvero il punto di vista) da usare per tutta la durata dell'osservazione del fenomeno.

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Consigli

Non dimenticare mai:
  • Purtroppo lo studio e la conoscenza sono alla base di tutto. Non esistono scorciatoie che possano in qualche modo aiutarvi. Per cui studiate con concentrazione.
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