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Esame universitario

Ripetizioni di Meccanica razionale, online: le coordinate giuste.

Un sistema di punti e corpi rigidi vincolati da studiare in tre passi, la cinematica, la dinamica con le equazioni cardinali o con Lagrange, e infine equilibrio e piccole oscillazioni: in Meccanica razionale la scelta delle coordinate decide quanto sarà lungo l'esercizio. Lavoriamo 1-a-1 online su esercizi tipo appello.

Per chi è

Chi ci chiede aiuto in Meccanica razionale.

  • Sai scrivere Lagrange ma non sai quante coordinate servono, o come legarle ai vincoli.
  • Sbagli le velocità del corpo rigido: formula fondamentale, centro di istantanea rotazione, rotolamento.
  • Le equazioni cardinali ti sembrano troppe e non sai scegliere il polo per cui scriverle.
  • Prepari l'orale e devi enunciare con precisione Huygens-Steiner, il teorema dell'energia cinetica e le leggi di conservazione.
Le lezioni

Come lavoriamo su Meccanica razionale.

  • Si comincia dal disegno: gradi di libertà, coordinate e vincoli vengono decisi sullo schema condiviso, prima di scrivere qualsiasi formula.
  • Due strade per lo stesso risultato: ogni volta che si può risolviamo un esercizio sia con le cardinali sia con Lagrange, perché la concordanza dei due risultati è il controllo più forte.
  • Allenamento a tempo con la simulazione di Meccanica razionale del sito e una correzione che parte dal punto in cui il ragionamento ha deviato.
Programma

Che cosa copre Meccanica razionale.

Il corso cambia da sede a sede ma segue quasi sempre questo ordine: prima il moto, poi le forze, poi l'energia e il formalismo di Lagrange. Il programma ufficiale del tuo corso resta l'ultima parola: alla prima lezione lo guardiamo insieme e lavoriamo su quello.

  • Cinematica del punto
    • Moto circolare e coordinate polari
    • Velocità e accelerazione in componenti
    • Moto di un proiettile
  • Cinematica del corpo rigido
    • Formula fondamentale delle velocità
    • Rotolamento puro
    • Centro di istantanea rotazione
  • Statica ed equilibrio
    • Reazioni vincolari ed equazioni cardinali della statica
    • Attrito e condizioni di equilibrio
    • Sistemi di forze e riduzione a un risultante e un momento
  • Baricentri e momenti d’inerzia
    • Baricentro di sistemi discreti e continui
    • Momento d’inerzia rispetto a un asse
    • Teorema di Huygens-Steiner
  • Dinamica
    • Equazioni cardinali della dinamica
    • Momento angolare e quantità di moto
    • Dinamica del punto e del corpo rigido piano
  • Energia e Lagrange
    • Lavoro, energia cinetica e potenziale
    • Equazioni di Lagrange e momenti coniugati
    • Equilibri, stabilità e piccole oscillazioni
L'esame

Com'è fatto di solito l'esame.

Di solito lo scritto di Meccanica razionale è un unico problema lungo, con un sistema di punti e corpi rigidi vincolati, diviso in tre o quattro domande: la cinematica del sistema, un'equazione del moto con le cardinali o con Lagrange, le configurazioni di equilibrio, le piccole oscillazioni. La struttura dipende dal corso, e gli appelli passati mostrano che tipo di sistemi si usano.

Il primo passo decide quasi tutto: individuare i gradi di libertà e scegliere le coordinate. Un grado in più rende i conti inutilmente lunghi; uno in meno rende Lagrange sbagliato, e non c'è modo di accorgersene alla fine. Per questo in lezione dedichiamo i primi minuti di ogni esercizio solo al disegno e alla scelta.

Dove c'è l'orale, insiste su definizioni e teoremi: Huygens-Steiner, teorema dell'energia cinetica, condizioni perché un momento coniugato si conservi. Sono risultati brevi che si capiscono davvero solo avendoli usati in un esercizio, e conviene prepararli così.

Errori tipici

Tre errori che costano punti.

  • Dimenticare Huygens-Steiner

    Il momento d'inerzia di un'asta rispetto al suo centro vale $\tfrac{1}{12}mL^2$, ma se l'asse passa per un estremo vale $\tfrac13 mL^2$. La differenza è il termine $m d^2$ di Huygens-Steiner, con $d$ distanza fra gli assi paralleli. Prima di scrivere $I$ nomina l'asse e controlla se passa per il baricentro.

  • Velocità del corpo rigido senza il termine di trascinamento

    La velocità di un punto $P$ di un corpo rigido è $v_P=v_O+\omega\wedge(P-O)$: la velocità del polo più quella dovuta alla rotazione. Usare solo $\omega\wedge(P-O)$ funziona soltanto se $O$ è fermo. Scrivi sempre il polo e la sua velocità.

  • Scrivere le cardinali con un polo sbagliato

    L'equazione del momento angolare ha la forma semplice solo se il polo è fisso oppure coincide con il centro di massa. Con un polo che si muove a caso compaiono termini aggiuntivi. Scegli un polo con una di queste due proprietà, o aggiungi esplicitamente il termine di trascinamento.

Esempio svolto

Un esercizio da appello, passo per passo.

Piccole oscillazioni di un pendolo composto

Un'asta omogenea di massa e lunghezza è incernierata in un estremo e porta nell'altro estremo un punto materiale della stessa massa . Ricaviamo con Lagrange la frequenza delle piccole oscillazioni attorno alla verticale.

  1. Il sistema ha un solo grado di libertà: scegliamo l'angolo dell'asta con la verticale. Il momento d'inerzia rispetto all'asse per è quello dell'asta per un estremo, , più quello del punto, :

  2. L'energia cinetica è Il baricentro dell'asta sta a e il punto a sotto , quindi l'energia potenziale gravitazionale è

  3. L'equazione di Lagrange con dà

  4. Per piccole oscillazioni e l'equazione diventa con Il periodo è , più breve di quello di un pendolo semplice di lunghezza .

Il risultato non dipende dalla massa comune , che si semplifica. Dimenticare il contributo del punto in , o contare male il baricentro nell'energia potenziale, dà un falso ma plausibile: è esattamente il tipo di errore che sul foglio non si vede.

Allenati gratis

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FAQ

Domande frequenti su Meccanica razionale.

Quando conviene Lagrange e quando le equazioni cardinali?

Lagrange conviene con vincoli ideali e più gradi di libertà, perché elimina le reazioni vincolari. Le cardinali servono quando le reazioni vengono chieste esplicitamente o c'è un solo corpo con vincolo semplice. Spesso lo scritto chiede entrambe in due domande diverse.

Come si trova il centro di istantanea rotazione?

Come intersezione delle perpendicolari alle velocità di due punti del corpo rigido. In un rotolamento puro è il punto di contatto, e per i punti di un'asta che scivola fra due guide sta all'incontro delle perpendicolari alle due guide. Con quel punto le velocità si scrivono come in una rotazione pura.

Che differenza c’è fra equilibrio e stabilità?

Equilibrio vuol dire che le forze generalizzate si annullano in una configurazione; stabilità che, spostandosi di poco, il sistema torna indietro. Per un sistema conservativo la stabilità segue dal segno della derivata seconda del potenziale: minimo, stabile; massimo, instabile.

Serve ripassare Analisi e Fisica prima di Meccanica razionale?

Servono vettori, derivate e un po' di integrali per i baricentri. Se la base è fragile la ripassiamo mentre serve, dentro gli esercizi, senza ripartire da zero. La fisica del primo anno aiuta ma non è un prerequisito rigido.

Gli altri esami che seguiamo.

  • Analisi 1

    Limiti, derivate, integrali, serie: esercizi da appello e orale sulle ipotesi dei teoremi.

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  • Analisi 2

    Più variabili, integrali multipli, campi e superfici: il disegno viene prima del calcolo.

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  • Algebra lineare

    Matrici, spazi vettoriali, autovalori e forme quadratiche: il lessico conta quanto i conti.

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  • Fisica 1

    Meccanica e termodinamica: il metodo per impostare il problema, simboli prima dei numeri.

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  • Fisica 2

    Elettrostatica, circuiti, magnetismo e induzione: prima la simmetria, poi il conto.

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  • Statistica

    Dal dataset al test d’ipotesi: il calcolo si fa in fretta, ciò che conta è saper leggere il risultato.

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  • Probabilità

    Combinatoria, Bayes, variabili aleatorie e Markov: contare bene prima di calcolare.

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  • Chimica generale

    Mole, equilibrio, acidi e basi, redox: bilanciare bene e saper dire perché.

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  • Geometria

    Rette e piani nello spazio, coniche e quadriche: il calcolo serve a riconoscere la figura.

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  • Matematica generale

    Funzioni, derivate, integrali, ottimizzazione e matrici per Economia, con le applicazioni al mercato.

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  • Elettrotecnica

    Reti, fasori, potenza e transitori: l’ordine con cui imposti il circuito decide il voto.

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Scegli le coordinate giuste, insieme.

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