Versione italiana
Esercizi sul Baricentro in Fisica
Concetti Chiave
Il baricentro (o centro di massa) di un sistema di punti è il punto in cui si può considerare concentrata tutta la massa del sistema. Per un sistema di punti, il baricentro GG è dato dalla formula:
G = \left( \frac{x_1 + x_2 + \ldots + x_n}{n}, \frac{y_1 + y_2 + \ldots + y_n}{n} \right)
G=(nx1​+x2​+…+xn​​,ny1​+y2​+…+yn​​)
dove:
- (x_i, y_i)(xi​,yi​) sono le coordinate dei punti,
- nn è il numero totale di punti.
Baricentro di un Corpo Rigido
Per un corpo rigido, il baricentro può essere calcolato come:
G = \frac{1}{M} \sum_{i=1}^{n} m_i \cdot r_i
G=M1​∑i=1n​mi​⋅ri​
dove:
- MM è la massa totale del corpo,
- m_imi​ è la massa del ii-esimo punto,
- r_iri​ è il vettore posizione del ii-esimo punto.
Esercizio 1: Baricentro di un Triangolo
Dati
Considera un triangolo con i vertici A(1, 2)A(1,2), B(4, 6)B(4,6) e C(7, 2)C(7,2).
Obiettivo
Calcola le coordinate del baricentro GG del triangolo.
Soluzione
Utilizziamo la formula del baricentro:
G = \left( \frac{x_A + x_B + x_C}{3}, \frac{y_A + y_B + y_C}{3} \right)
G=(3xA​+xB​+xC​​,3yA​+yB​+yC​​)
Sostituendo i valori:
G = \left( \frac{1 + 4 + 7}{3}, \frac{2 + 6 + 2}{3} \right) = \left( \frac{12}{3}, \frac{10}{3} \right) = (4, \frac{10}{3})
G=(31+4+7​,32+6+2​)=(312​,310​)=(4,310​)
Quindi, il baricentro GG ha coordinate (4, \frac{10}{3})(4,310​).
Esercizio 2: Baricentro di un Sistema di Punti
Dati
Considera i punti P_1(2, 3)P1​(2,3), P_2(4, 5)P2​(4,5), e P_3(6, 1)P3​(6,1).
Obiettivo
Calcola le coordinate del baricentro GG del sistema di punti.
Soluzione
Utilizziamo la formula del baricentro:
G = \left( \frac{x_1 + x_2 + x_3}{3}, \frac{y_1 + y_2 + y_3}{3} \right)
G=(3x1​+x2​+x3​​,3y1​+y2​+y3​​)
Sostituendo i valori:
G = \left( \frac{2 + 4 + 6}{3}, \frac{3 + 5 + 1}{3} \right) = \left( \frac{12}{3}, \frac{9}{3} \right) = (4, 3)
G=(32+4+6​,33+5+1​)=(312​,39​)=(4,3)
Quindi, il baricentro GG ha coordinate (4, 3)(4,3).
Esercizio 3: Baricentro di un Quadrilatero
Dati
Considera un quadrilatero con i vertici A(0, 0)A(0,0), B(2, 0)B(2,0), C(2, 2)C(2,2), e D(0, 2)D(0,2).
Obiettivo
Calcola le coordinate del baricentro GG del quadrilatero.
Soluzione
Utilizziamo la formula del baricentro:
G = \left( \frac{x_A + x_B + x_C + x_D}{4}, \frac{y_A + y_B + y_C + y_D}{4} \right)
G=(4xA​+xB​+xC​+xD​​,4yA​+yB​+yC​+yD​​)
Sostituendo i valori:
G = \left( \frac{0 + 2 + 2 + 0}{4}, \frac{0 + 0 + 2 + 2}{4} \right) = \left( \frac{4}{4}, \frac{4}{4} \right) = (1, 1)
G=(40+2+2+0​,40+0+2+2​)=(44​,44​)=(1,1)
Quindi, il baricentro GG ha coordinate (1, 1)(1,1).
Esercizio 4: Baricentro di un Corpo Rigido
Dati
Un corpo rigido è composto da tre masse concentrate nei seguenti punti:
- m_1 = 2 \, \text{kg}m1​=2kg a (1, 1)(1,1)
- m_2 = 3 \, \text{kg}m2​=3kg a (4, 5)(4,5)
- m_3 = 5 \, \text{kg}m3​=5kg a (7, 2)(7,2)
Obiettivo
Calcola le coordinate del baricentro GG del corpo rigido.
Soluzione
Calcoliamo la massa totale MM:
M = m_1 + m_2 + m_3 = 2 \, \text{kg} + 3 \, \text{kg} + 5 \, \text{kg} = 10 \, \text{kg}
M=m1​+m2​+m3​=2kg+3kg+5kg=10kg
Ora utilizziamo la formula del baricentro:
G = \left( \frac{m_1 x_1 + m_2 x_2 + m_3 x_3}{M}, \frac{m_1 y_1 + m_2 y_2 + m_3 y_3}{M} \right)
G=(Mm1​x1​+m2​x2​+m3​x3​​,Mm1​y1​+m2​y2​+m3​y3​​)
Sostituendo i valori:
G = \left( \frac{2 \cdot 1 + 3 \cdot 4 + 5 \cdot 7}{10}, \frac{2 \cdot 1 + 3 \cdot 5 + 5 \cdot 2}{10} \right)
G=(102⋅1+3⋅4+5⋅7​,102⋅1+3⋅5+5⋅2​)
Calcoliamo le coordinate:
G_x = \frac{2 + 12 + 35}{10} = \frac{49}{10} = 4.9
Gx​=102+12+35​=1049​=4.9
G_y = \frac{2 + 15 + 10}{10} = \frac{27}{10} = 2.7
Gy​=102+15+10​=1027​=2.7
Quindi, il baricentro GG ha coordinate (4.9, 2.7)(4.9,2.7).
Esercizio 5: Baricentro di un Sistema di Punti con Coordinate Negative
Dati
Considera i punti P_1(-3, -2)P1​(−3,−2), P_2(-1, -4)P2​(−1,−4), e P_3(-5, -1)P3​(−5,−1).
Obiettivo
Calcola le coordinate del baricentro GG del sistema di punti.
Soluzione
Utilizziamo la formula del baricentro:
G = \left( \frac{x_1 + x_2 + x_3}{3}, \frac{y_1 + y_2 + y_3}{3} \right)
G=(3x1​+x2​+x3​​,3y1​+y2​+y3​​)
Sostituendo i valori:
G = \left( \frac{-3 + (-1) + (-5)}{3}, \frac{-2 + (-4) + (-1)}{3} \right) = \left( \frac{-9}{3}, \frac{-7}{3} \right) = (-3, -\frac{7}{3})
G=(3−3+(−1)+(−5)​,3−2+(−4)+(−1)​)=(3−9​,3−7​)=(−3,−37​)
Quindi, il baricentro GG ha coordinate (-3, -\frac{7}{3})(−3,−37​).
English version
Exercises on the Center of Mass in Physics
Key Concepts
The center of mass (or center of mass) of a system of points is the point where all the mass of the system can be considered concentrated. For a system of points, the center of mass GG is given by the formula:
G = \left( \frac{x_1 + x_2 + \ldots + x_n}{n}, \frac{y_1 + y_2 + \ldots + y_n}{n} \right)
G=(nx1​+x2​+…+xn​​,ny1​+y2​+…+yn​​)
where:
- (x_i, y_i)(xi​,yi​) are the coordinates of the points,
- nn is the total number of points.
Center of Mass of a Rigid Body
For a rigid body, the center of mass can be calculated as:
G = \frac{1}{M} \sum_{i=1}^{n} m_i \cdot r_i
G=M1​∑i=1n​mi​⋅ri​
where:
- MM is the total mass of the body,
- m_imi​ is the mass of the ii-th point,
- r_iri​ is the position vector of the ii-th point.
Exercise 1: Center of Mass of a Triangle
Data
Consider a triangle with vertices A(1, 2)A(1,2), B(4, 6)B(4,6) and C(7, 2)C(7,2).
Objective
Calculate the coordinates of the center of mass GG of the triangle.
Solution
We use the centroid formula:
G = \left( \frac{x_A + x_B + x_C}{3}, \frac{y_A + y_B + y_C}{3} \right)
G=(3xA​+xB​+xC​​,3yA​+yB​+yC​​)
Substituting the values:
G = \left( \frac{1 + 4 + 7}{3}, \frac{2 + 6 + 2}{3} \right) = \left( \frac{12}{3}, \frac{10}{3} \right) = (4, \frac{10}{3})
G=(31+4+7​,32+6+2​)=(312​,310​)=(4,310​)
So, the centroid GG has coordinates (4, \frac{10}{3})(4,310​).
Exercise 2: Center of Mass of a System of Points
Data
Consider the points P_1(2, 3)P1​(2,3), P_2(4, 5)P2​(4,5), and P_3(6, 1)P3​(6,1).
Objective
Calculate the coordinates of the center of mass GG of the system of points.
Solution
We use the centroid formula:
G = \left( \frac{x_1 + x_2 + x_3}{3}, \frac{y_1 + y_2 + y_3}{3} \right)
G=(3x1​+x2​+x3​​,3y1​+y2​+y3​​)
Substituting the values:
G = \left( \frac{2 + 4 + 6}{3}, \frac{3 + 5 + 1}{3} \right) = \left( \frac{12}{3}, \frac{9}{3} \right) = (4, 3)
G=(32+4+6​,33+5+1​)=(312​,39​)=(4,3)
So, the centroid GG has coordinates (4, 3)(4,3).
Exercise 3: Centroid of a Quadrilateral
Data
Consider a quadrilateral with vertices A(0, 0)A(0,0), B(2, 0)B(2,0), C(2, 2)C(2,2), and D(0, 2)D(0,2).
Objective
Calculate the coordinates of the centroid GG of the quadrilateral.
Solution
We use the centroid formula:
G = \left( \frac{x_A + x_B + x_C + x_D}{4}, \frac{y_A + y_B + y_C + y_D}{4} \right)
G=(4xA​+xB​+xC​+xD​​,4yA​+yB​+yC​+yD​​)
Substituting the values:
G = \left( \frac{0 + 2 + 2 + 0}{4}, \frac{0 + 0 + 2 + 2}{4} \right) = \left( \frac{4}{4}, \frac{4}{4} \right) = (1, 1)
G=(40+2+2+0​,40+0+2+2​)=(44​,44​)=(1,1)
So, the centroid GG has coordinates (1, 1)(1,1).
Exercise 4: Center of Mass of a Rigid Body
Data
A rigid body is composed of three masses concentrated in the following points:
- m_1 = 2 \, \text{kg}m1​=2kg at (1, 1)(1,1)
- m_2 = 3 \, \text{kg}m2​=3kg at (4, 5)(4,5)
- m_3 = 5 \, \text{kg}m3​=5kg at (7, 2)(7,2)
Objective
Calculate the coordinates of the center of mass GG of the rigid body.
Solution Let's calculate the total mass MM:
M = m_1 + m_2 + m_3 = 2 \, \text{kg} + 3 \, \text{kg} + 5 \, \text{kg} = 10 \, \text{kg}M=m1​+m2​+m3​=2kg+3kg+5kg=10kg
Now we use the center of gravity formula:
G = \left( \frac{m_1 x_1 + m_2 x_2 + m_3 x_3}{M}, \frac{m_1 y_ 1 + m_2 y_2 + m_3 y_3}{M} \right)G=(Mm1​x1​+m2​x2​+m3​x3​​,Mm1​y1​+m2​y2​+m3​y3​​)
Substituting the values:
G = \left( \frac{2 \cdot 1 + 3 \cdot 4 + 5 \cdot 7}{10}, \frac{2 \cdot 1 + 3 \cdot 5 + 5 \cdot 2}{10} \right)
G=(102⋅1+3⋅4+5⋅7​,102⋅1+3⋅5+5⋅2​)
Let's calculate the coordinates:
G_x = \frac{2 + 12 + 35}{10} = \frac{49}{10} = 4.9
Gx​=102+12+35​=1049​=4.9
G_y = \frac{2 + 15 + 10}{10} = \frac{27}{10} = 2.7
Gy​=102+15+10​=1027​=2.7
So, the centroid GG has coordinates (4.9, 2.7)(4.9,2.7).
Exercise 5: Centroid of a System of Points with Negative Coordinates
Data
Consider the points P_1(-3, -2)P1​(−3,−2), P_2(-1, -4)P2​(−1,−4), and P_3(-5, -1)P3​(−5,−1).
Objective
Calculate the coordinates of the centroid GG of the system of points.
Solution
We use the centroid formula:
G = \left( \frac{x_1 + x_2 + x_3}{3}, \frac{y_1 + y_2 + y_3}{3} \right)
G=(3x1​+x2​+x3​​,3y1​+y2​+y3​​)
Substituting the values:
G = \left( \frac{-3 + (-1) + (-5)}{3}, \frac{-2 + (-4) + (-1)}{3} \right) = \left( \frac{-9}{3}, \frac{-7}{3} \right) = (-3, -\frac{7}{3})
G=(3−3+(−1)+(−5)​,3−2+(−4)+(−1)​)=(3−9​,3−7​)=(−3,−37​)
So, the centroid GG has coordinates (-3, -\frac{7}{3})(−3,−37​).
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