Forze interne ed esterne al sistema

Cosa intendiamo per sistema di particelle e per forze interne ed esterne?

Un sistema è un insieme di corpi. Essi interagiscono tra di loro e con altri corpi che non fanno parte del sistema. Se il sistema non ha interazioni col mondo esterno si dice "isolato". In Fisica I, si studiano i "sistemi di particelle".

Un sistema di particelle è un 

Su ogni punto di un sistema agiscono tutti gli altri punti del sistem con "le forze interne". Su ogni punto del sistema può anche agire il resto dell'universo con le "forze esterne".

Torniamo all'esempio di Giove e le sue lune. Questo "sistema" compie la sua rivoluzione attorno al Sole, mentre le lune girano attorno al pianeta. Dopo aver identificato le forze interne ed esterne, possiamo dire che la rivoluzione è determinata dall'azione del Sole.

Ricordiamo ora che vale il principio di azione e reazione.

Le forse interne si annullano a coppie.

Quindi, facciamo ancora un esempio:

La "risultante" delle forze è la somma di tutte le forze che agiscono su tutte le particelle del sistema: questa riusltane coincide con la somma delle forze esterne che agiscono sulle particelle del sistema poiché le forze interne si annullano a coppie.

La risulante delle forze esterne è la grandezza che compare nella prima equazione cardinale dei sistemi.

Centro di massa

Definire il centro di massa.

Notare che la posizione del centro di massa non dipende dal riferimento, il vettore posizione sì. Ma questo valeva anche per la singola particella. La posizione viene infatti "descritta" dal "vettore posizione" che è quel raggio vettore che unisce la posizione all'origine del riferimento.

Possiamo anche definire la velocità e l'accelerazione del centro di massa nel modo seguente.

Campo di una sfera carica

Discutete il campo elettrico creato da una sfera con carica +Q, distribuita con densità uniforme in tutta la sfera.

Diciamo per prima cosa che la sfera deve essere fatta di un materiale isolante di modo che la carica distribuita uniformemente in essa resti dove è stata posta. Se fosse di materiale conduttore, la repulsione che vi è tra le cariche le spingerebbe a disporsi solo sulla superficie. Considerando quindi una sfera isolante uniformemente carica (+Q carica totale) con raggio a, il campo  elettrico è a simmetria sferica, radiale, ma ha un modulo che dipende dalla distanza dal centro della sfera nel modo seguente:

dove u_r è il vettore unitario con direzione radiale, verso l’esterno.

Per arrivare a questo risultato ci possiamo servire della  legge di Gauss, che dice che il flusso del campo elettrico attraverso una qualsiasi superficie chiusa è uguale alla carica contenuta nella superficie, divisa per la costante dielettrica del vuoto.

Iniziamo con il discutere il campo elettrico in un punto P esterno la sfera. Prendiamo come superficie gaussiana una sfera con centro nel centro della sfera carica e raggio r. Calcoliamo il flusso attraverso questa sfera, ricordandoci che il campo elettrico è a simmetria sferica e su tutti i punti della sfera gaussiana deve avere lo stesso modulo e direzione radiale verso l’esterno.

Si ha quindi:

Ora prendiamo un punto dentro la sfera. Non tutta la carica Q entra nella legge di Gauss: c’è solo quella che è contenuta dentro la sfera più piccola di raggio r.

Con direzione radiale, verso l’esterno.

Se invece di avere una distribuzione di carica, si avesse avuto una distribuzione sferica a densità uniforme di massa, l'andamento del campo gravitazionale sarebbe stato analogo, nel senso che sarebbe stato zero al centro della sfera, sarebbe crescioto linearmente in modulo fino alla superficie per poi decrescere con l'inverso del quadrato della distanza fuori dalla sfera. Ricordiamoci che il verso del campo è verso il centro della sfera essendo la gravitazione sempre attrattiva. 

Le linee di Faraday

Discutete il concetto di campo e la sua rappresentazione con le linee di Faraday

In fisica, il concetto di campo nasce per rappresentare l'azione a distanza tra masse gravitazionali e cariche elettriche. Un campo gravitazionale (o elettrico) è un campo di forze generato nello spazio dalla presenza di una massa (o di carica elettrica). In elettromagnetismo si studierà anche il campo magnetico.

Il campo gravitazionale è un campo conservativo, come lo è anche il campo elettrostatico, creato da una distribuzione di carica indipendente dal tempo.

In generale, con "campo di forze" si intende un campo vettoriale che genera una forza dipendente dalla posizione e dal tempo su una massa o una carica esploratrice. Per massa o carica esploratrice si intende una particella molto piccola, tale da non perturbare il campo in cui essa viene posta. Nel caso del campo elettrico, si assume che la carica esploratrice sia una piccola carica positiva.

Per rappresentare un campo vettoriale si usano le linee di Faraday. D'ora in poi, la discussione  si intende fatta per il campo elettrico, tenendo presente che essa  è facilmente adattabile al campo gravitazionale.  In ogni punto dello spazio si può porre una piccola carica esploratrice. Spostando la particella esploratrice si trovano direzione e  verso locali della forza che agisce sulla particella. Si uniscono le direzioni locali per creare delle linee dette "linee di forza". Vediamo un esempio di campo per cariche puntiformi.

Per convenzione il numero delle linee di forza in una certa regione dello spazio è proporzionale al modulo del campo ivi presente. Se osserviamo la figura, raddoppiando la carica abbiamo raddoppiato il numero di linee. Ovviamente la rappresentazione in figura è bidimensionale: dovrebbe essere immaginata come una distribuzione nello spazio. 

Prendiamo l'esempio della carica +q: se ci allontaniamo da essa le linee diventano meno dense. Però il numero di linee rimane costante, come richjesto dalla legge di Gauss. 

Consderiamo ora il caso di un campo conservativo. Campo conservativo significa che la forza è conservativa. Si può quindi definire un'energia potenziale e un potenizale relativo al campo. Il potenziale è quindi un campo scalare. Esso viene rappresentato dalle superfici equipotenziali, ossia le superfici nello spazio i cui punti hanno tutti lo stesso potenziale. Le linee di forza sono perpendicolari alle superfici equipotenziali, di modo che il campo "non lavori" quando la particella esploratrice si muove sulla superficie equipotenziale.

Phonons and Auxetics

About me.

One of my researches is on dispersions of phonons.

Quite interesting are the new auxetic materials, providing phononic band-gaps

2011 SPARAVIGNA A.C., Vibrations of a One-Dimensional Host-Guest System, MATERIALS SCIENCES AND APPLICATIONS, Scientific Research, pp. 5, 2011, Vol. 2, pagine da 314 a 318, ISSN: 2153-117X, DOI: 10.4236/msa.2011.25041

2007 SPARAVIGNA A., Phonons in conventional and auxetic honeycomb lattices, PHYSICAL REVIEW. B, CONDENSED MATTER AND MATERIALS PHYSICS, APS, pp. 6, 2007, Vol. 76, ISSN: 1098-0121, DOI: 10.1103/PhysRevB.76.134302

2007 SPARAVIGNA A., Phonons dispersions in auxetic lattices, JOURNAL OF PHYSICS. CONFERENCE SERIES, 2007, Vol. 92, pagine da 012100-1 a 012100-4, ISSN: 1742-6596, DOI: 10.1088/1742-6596/92/1/012100

2007 SPARAVIGNA A.C., Phonons in lattices with rod-like particles arXiv:0706.4076, 2007, pagine da 1 a 16

2007 SPARAVIGNA A.C., Phonons in honeycomb and auxetic two-dimensional lattices arXiv:cond-mat/0703257, 2007, pagine da 1 a 12

Principio di sovrapposizione

Il principio di sovrapposizione riguarda una proprietà di certi sistemi fisici sulla base della quale la risposta prodotta dalla combinazione lineare, ossia la somma algebrica o la somma vettoriale, di un certo numero di sollecitazioni indipendenti può ottenersi sovrapponendo le risposte che ciascuna di esse produrrebbe se agisse da sola. Quando abbiamo considerato per esempio la seconda legge di Newton, abbiamo usato la risulatnte delle forze come la somma vettoriale delle singole forze.  In cinematica, un famoso enunciato di Galileo Galilei riguardante i moti relativi rappresenta il principio di sovrapposizione per il moto.
Non sempre il principio di sovrapposizione è valido:  nei sistemi detti "non lineari",  gli effetti dipendono dall'ordine in cui si manifestano le cause.
Il vantaggio di poter applicare il principio di sovrapposizione sta nell'essere in grado di risolvere un problema secondo le componenti: ad esempio scomponendo le forze o gli spostamenti. Per esempio in un moto a due dimensioni possono essere la componente verticale e la componente orizzontale: è possibile risolvere il problema per ciascuna di queste componenti considerata singolarmente. Le componenti possono essere ricomposte nella risultante.
Nel caso dei campi, il principio di sovrapposizione assume una forma particolarmente interessante. Se abbiamo più masse gravitazionali puntiformi, il campo risultante è la somma vettoriale dei campi. Quindi, se abbiamo una massa distribuita in un certo volume finito, sappiamo calcolare il campo risultante, anche se la cosa può essere un po'  laboriosa: basta suddividere il volume del copro in tanti volumetti molto piccoli e sommare i relativi effetti gravitazionali.
La stessa cosa vale per il campo elettrico: se ho un insieme di cariche puntiformi il campo elettrico risultante è la sommatoria su tutte i campi create dalle i-esime cariche.

Se il campo è conservativo, il principio di sovrapposizione si estende all'energia potenziale (in quanto proviene dal calcolo del lavoro che è operazione lineare) e al  potenziale. Il potenziale che si ha in un certo punti dello spazio, creato di un sistema di particelle cariche (o di masse) è la somma dei potenziali.

L'esempio mostra il caso del potenziale scelto nullo all'infinito.

Gradiente, divergenza e rotore

Discutere gradiente, divergenza e rotore.

Domanda di teoria - energia oscillatore

Discutere l'energia dell'oscillatore armonico

Per rispondere a questa domanda utilizzate il materiale seguente

L'oscillatore armonico è governato dalla forza elastica che è una forza conservativa. Possimao definire una funzione potenziale come nellos chema seguente.

 Una tal funzione ha una forma parabolica attrono la posizione di equlibrio.

Ricordiamo che la forza elastica è ...  e che la soluzione del moto è ....

 Calcoliamo la velocità derivando la posizione della massa

 L'energia potenziale elastica si trasforma in energia cinetica durante l'aoscillazione.

Discutiamo le due energia e l'energia totale meccanica in funzione del tempo 

 Graficamente

 Ricordando che la pulsazione è data dalla dinamica del sistema massa-molla:

Campo gravitazionale e Coulombiano

Discutete il campo gravitazionale creato da una massa puntiforme e confrontatelo col campo Coulombiano di una carica puntiforme.

Il campo gravitazionale creato da una massa puntiforme M genera su una piccola massa espoloratrice m una forza descritta dalla legge di gravitazione universale di Newton. Questa azione è attrattiva. Se esploriamo lo spazio intorno alla  massa M vediamo che esso gode di una simmetria sferica. Se infatti immaginiamo attorno a M una sfera con centro in M, vediamo che in ogni punto della sfera l'attrazione gravitazionale F è diretta come il raggio, verso il centro e il modulo è sempre lo stesso. La forza gravitazionale è infatti una forza centrale con in modulo che dipende dall'inverso del quadrato della distanza.
Se introduciamo il vettore unitario ur diretto col raggio verso l'esterno, la forza ssume la forma seguente.

Possiamo definire il campo g come il vettore F/m.

G è la costante di gravitazione universale e vale: 

Il campo elettrico creato da una carica puntiforme è a simmetria sferica ed è dato da:

La costane k è ora:

  

con  epsilon_o=  8.8544*10^-12  coulomb²/N*m²  .

Domanda di teoria - teorema energia sistemi

Discutere il teorema dell'energia per i sistemi di particelle.

Questo teorema è l'estensione a un sistema di particelle del teorema dell'energia cinetica di una particella. Esso diceva che se una massa m agiscono delle forze, il lavoro delle forze provoca una variazione dell'energia cinetica.  Se tutte le forze sono conservative, il lavoro corrisponde a meno la variazione dell'energia potenziale. Quindi la variazione di energia cinetica è uguale a meno la variazione dell'energia potenziale.
Variazione Energia Cinetica = - (Variazione Energia Potenziale)

Il bilancio energetico deve essere tale che l'energia totale si conserva.

Consideriamo un insieme di particelle, ognuna con la sua massa e il suo spostamento.

Dato un piccolo spostamento, il lavoro complessivo fatto sulle particelle è pari alla somma dei lavori fatti dalle forze su ciascuna particella. Ricordiamo che che le forze sono esterne ed interne. Con Fi  si intende la risultante. Ho separato la risultante delle forze esterne dalla risultante delle forze interne. Siccome il teorema dell'energia cinetica vale per la singola particella e siccome vale il principio di sovrapposizione, il lavoro totale è uguale alla variazione dell'energia cinetica totale del sistema. Essa è la somma delle energie cinetiche delle singole particelle.

L'integrale del lavoro è esteso dalle posizioni iniziali alle posizioni finali, e deve essere fatto seguendo il percorso di ogni singola particella.

Nel caso del corpo rigido, usando una coppia generica di masse che interagiscono, vediamo che non essendoci spostamento relativo, l'interazione tra le particelle non lavora. Possiamo ovviamente ripetere il discorso per tutte le altre possibili coppie di particelle in cui immaginiamo di suddividere il corpo. Questo è un risultato molto importante perché ci permette di discutere l'energia dei corpi rigidi.