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Corpi che si muovono di moto circolare uniforme sfasati tra loro

Esercizio su corpi che si muovono di moto circolare uniforme sfasati tra loro

In una pista circolare di go-kart di raggio R = 40 m due partecipanti si esibiscono in una gara di inseguimento.

Essi partono allo stesso istante posizionati ai due estremi del diametro orizzontale della pista, il primo con velocità VA e l'altro con velocità VB = 40 km/h.

Trovare il valore di V1 affinché il primo partecipante raggiunga il secondo dopo che questo ha percorso 2,5 giri di pista e calcolare il tempo necessario.

Svolgimento

Il problema presenta la situazione di due corpi che si muovono di moto circolare uniforme, sfasati di un angolo di 180° (π radianti), in quanto i due corpi partono dai due estremi del diametro orizzontale della pista.

Del corpo A non conosciamo la velocità tangenziale, che è l'incognita del problema, mentre del corpo B conosciamo la velocità di rotazione che vale:

VB = 40 km/h = 40/3,6 m/s = 11,11 m/s

Sappiamo infine dal testo del problema che i due corpi si trovano riallineati dopo che il secondi ha percorso 2,5 giri che tradotto in radianti vuol dire:

α = 2,5·(2·π) = 15,7 rad

I due angoli descritti dai due partecipanti A e B devono essere tali per cui:

αA - αB = π

Infatti essendo i due punti posti ai due estremi del diametro orizzontale della pista, la distanza angolare da compiere partendo da un punto per arrivare all'altro è proprio un mezzo angolo giro (180°) quindi π radianti, inoltre ricordando che

αA = ωA·t

e

αB = ωB·t

I due punti saranno riallineati solo quando

ωA·t - ωB·t =π

raccogliamo t

A - ωB) · t =π

Da cui

t = π / (ωA - ωB)

Ricordando che la velocità angolare ω è esprimibile in funzione della velocità tangenziale secondo la relazione:

ω = V/R

possiamo allora scrivere

t = π / (ωA - ωB) = π / (VA/R - VB/R) = π·R / (VA - VB)

L'angolo percorso da B sarà pari a:

αB = ωB·t = (VB/R ) ·t = (VB/R ) · π·R / (VA - VB) = 15,7 rad

sostituiamo i dati:

π·11,11 / (VA - 11,11) = 15,7

π·11,11 /15,7 = (VA - 11,11)

VA = (π·11,11 /15,7) + 11,11 = 13,33 m/s = 13,33 ·3,6 km/h = 48 km/h

Mentre il tempo trascorso prima di ritrovarsi vale:

t = π·R / (VA - VB) = 3,14·40 / (13,33 -11,11) = 56,58 s

Per cui la velocità che deve tenere il corpo A per raggiungere il corpo B dopo 2,5 giri deve essere pari a 48 km/h mentre il tempo necessario al riallineamento è pari a 56,58 s.

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