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Esame del 8 Febbraio 2017

Corso di Laurea in Fisica
Compito scritto di Fisica Generale I
M.G. Grimaldi – A. Insolia
Per la prova in itinere svolgere i problemi 1, 2, 3 (tempo 2h)
per la prova completa svolgere i problemi 1, 3, 4, 5 (tempo 3 h).


Problema n.1

Una pallina (che si suppone di dimensioni trascurabili) si sposta orizzontalmente sul primo gradino di una scala a tre gradini con velocità v=1 m/s parallela al piano del gradino. Come indicato nella figura, la pallina cade dal primo gradino sul secondo e rimbalza su questo arrivando, poi, direttamente al suolo. Se nel rimbalzo sul secondo gradino la componente verticale della velocità si riduce di un fattore f e la componente orizzontale rimane inalterata, tenendo conto dei dati geometrici della figura, determinare il fattore f per cui la pallina tocca il suolo alla minima distanza dal terzo e ultimo gradino.

[Suggerimento: la pallina tocca il suolo alla minima distanza dal terzo gradino quando la traiettoria parabolica della pallina conseguente all’urto sul secondo gradino passa in prossimità dello spigolo del terzo]

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Problema n.2

Un blocco di massa \(M_1=30 \; kg\) è appoggiato su un piano inclinato di α=30° rispetto all’orizzontale. I coefficienti di attrito statico e dinamico tra piano e corpo sono, rispettivamente, \(μ_s=0.30\) e \(μ_d=0.10\). Il blocco è collegato tramite una fune (inestensibile e di massa trascurabile) ad un altro corpo di massa \(M_2=25 \; kg\) che pende verticalmente (vedi figura). La fune scorre (senza attrito) intorno all’angolo del piano inclinato grazie ad una carrucola di massa trascurabile. Inizialmente il corpo 1 viene trattenuto da una forza esterna che lo mantiene fermo. Ad un certo istante la forza viene rimossa.

  • Dopo la rimozione della forza esterna determinare se i due corpi si mettono in moto.
  • Se i due corpi si mettono in moto, calcolare la velocità del corpo 1 quando la posizione del corpo 2 è cambiata di 1 metro.

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Problema n.3

Un'asta rigida di lunghezza l=1 m e massa \(m_a = 3 \; kg\) è sospesa verticalmente a un estremo O attorno al quale può ruotare liberamente senza attrito. Una pallina, di massa \(m_p = 1 \; kg\), in moto orizzontale con velocità costante e perpendicolare all’asta e modulo v=10 m/s colpisce l'asta (vedi figura).

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  • Si supponga che l'urto sia elastico. Che distanza x da O deve avere la pallina nell'istante prima dell'urto, per rimane ferma dopo l'urto?
  • Si supponga ora che l'urto sia completamente anelastico e che la pallina rimanga attaccata all'asta a una distanza x=l da O. Quale è il valore minimo del modulo della velocità della pallina (sempre da considerarsi perpendicolare all’asta) per il quale dopo l'urto l'asta raggiunge la posizione orizzontale?
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  • \(1 \; m\)
  • \(9,9 \; m/s\)
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  • \(\begin{cases} x m_p v = I_a ω \\ \frac{1}{2} m_p v^2 = \frac{1}{2} I_a ω^2 \end{cases}\)

    Essendo \(I_a = \frac{1}{3} m_a l^2\) si conclude che \(x=l=1 \; m\)

  • \(\begin{cases} lm_p v_0 = I_{tot} ω \\ \frac{1}{2} I_{tot} ω^2 = m_a g \frac{l}{2} + m_p g l \end{cases} ⟹ v_0 = \sqrt{10 g}= 9,9 \; m/s\)

    Con \(I_{tot}= \frac{1}{3}m_a l^2 + m_p l^2 = 2 m_p l^2\)

Osservando che \(m_a= 3 m_p\) si riesce a risolvere il problema con più facilità.

N.B. Questo svolgimento è stato fornito da uno studente pertanto non si garantisce la correttezza. Se hai trovato un errore per favore segnalalo qui, grazie!

Problema n.4

Una mole di gas ideale monoatomico compie un ciclo reversibile ABC, in cui: AB è una espansione isocora caratterizzata da \(V_A = V_B = 2 \; m^3\), \(p_B=10 \; atm > p_A\); BC una espansione adiabatica tale che \(V_C=4 \; m^3\); CA è una compressione isobara che chiude il ciclo. Dopo aver disegnato il ciclo in un piano p-V, calcolare:

  • la quantità di calore \(Q_1\) assorbita dal gas durante il ciclo;
  • la quantità di calore \(Q_2\) ceduta dal gas durante il ciclo;
  • Il rendimento del ciclo;
  • il rendimento di un ciclo di Carnot svolto tra le temperature estreme tra cui lavora il gas secondo il ciclo ABC esaminato.
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Problema n.5

Una pentola di Cu di massa 2.0 Kg (compreso il coperchio) è alla temperature di 150 °C. Versi nella pentola 0.10 Kg di acqua a 25 °C e chiudi subito con il coperchio, in modo che non possa uscire vapore. Trova la temperature finale della pentola e del suo contenuto e stabilisci in che fase (o miscela di fasi) si trova l’acqua. Assumi che non ci siano perdite di calore verso l’ambiente. [Calore specifico Cu \(c_{Cu}=0.39 \; J/g °C\), Calore specifico acqua \(c_A=4.19 \; J/g °C\), Calore latente di evaporazione acqua \(L_A=2256 \; J/g\)]

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