Centro Istantaneo di Rotazione e Distribuzione delle Accelerazioni nei Corpi Rigidi
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Centro Istantaneo di Rotazione (C.I.R.)
Segue allora che la (1.7) ha una e una sola soluzione C, di coordinate:
- xC = xA - vAy/ω
- yC = yA + vAx/ω (1.8)
Il punto con velocità nulla, la cui esistenza è garantita dal teorema di Eulero, è detto centro di istantanea rotazione (lo indicheremo spesso nel seguito con C.I.R.).
Se è noto il C.I.R., la velocità di ogni altro punto del corpo rigido (c.r.) può quindi calcolarsi con la formula:
vP = ω × (P - C)
Da tale formula segue ovviamente che vP è nel piano del moto e, più in particolare, che:
- (a) vP è perpendicolare al vettore (P - C).
- (b) La retta per P e il C.I.R. è perpendicolare a vP.
- (c) vP = ωr, dove r = |PC|.
Si ha quindi che il modulo della velocità di ogni punto P cresce linearmente con la distanza r di P dal C.I.R. (diagramma triangolare delle velocità).
Determinazione del C.I.R.
Nelle applicazioni, può essere utile determinare il C.I.R. senza dover prima calcolare il moto; ciò si può fare in tre casi:
- Se esiste un punto fisso O, esso è evidentemente il C.I.R.
- Se sono note le direzioni, non parallele, delle velocità vA e vB di due punti A e B, segue dalla proprietà (b) prima enunciata che il C.I.R. è il punto di intersezione tra le perpendicolari a vA e vB condotte per A e B (teorema di Chasles).
- Se il c.r. rotola senza strisciare su una guida fissa, il punto di contatto del c.r. con la guida è il C.I.R.
Base e Rulletta
In generale, la posizione del C.I.R. varia nel tempo; rispetto all'osservatore fisso, il luogo descritto dal C.I.R. è detto la base del moto; lo stesso luogo, scritto in una terna solidale al c.r., è detto la rulletta. Si dimostra che base e rulletta hanno in comune un punto e la tangente (contatto del secondo ordine), per cui il moto della rulletta è un moto di puro rotolamento sulla base.
Distribuzione delle Accelerazioni
Dalla formula fondamentale dell'atto di moto rigido vB - vA = ω × (B - A), derivata rispetto al tempo, segue che le accelerazioni di due punti A e B del c.r. sono legate dalla relazione:
aB = aA + ω̇ × (B - A) + ω × (ω × (B - A)) (2.1)
Utilizzando l'identità del doppio prodotto vettore, la (2.1) può allora scriversi nella forma equivalente:
aB = aA + ω̇ × (B - A) - ω2(B - A) + ((B - A) · ω) · ω (2.2)
Accelerazioni nel moto rigido piano
Nel caso di una lamina piana in moto nel proprio piano, l'ultimo termine della (2.2) è identicamente nullo, per cui, ponendo ω = ωk e ω̇ = ω̇k, segue che:
aB = aA + ω̇k × (B - A) - ω2(B - A) (2.3)
In stretta analogia con l'interpretazione dell'atto di moto rigido, possiamo dire che nel caso piano l'accelerazione di un generico punto B è ottenibile componendo l'accelerazione di un punto A con l'accelerazione che B avrebbe nell'atto di moto rotatorio attorno ad A (rispettivamente, l'accelerazione tangenziale e l'accelerazione centripeta).
Sempre nel caso piano, si dimostra infine che esiste (ed è unico) un punto Ca (centro delle accelerazioni), che ha accelerazione nulla. In generale, il centro delle accelerazioni Ca non coincide con il C.I.R.