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Esercizi sul Momento Angolare

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Esercizi sul Momento Angolare

Versione italiana

Esercizi sul Momento Angolare

Concetti Chiave

  1. Momento Angolare (\vec{L}L\vec{L}): È una grandezza vettoriale che misura la quantità di moto rotazionale di un corpo attorno a un punto o a un asse. È definito come il prodotto vettoriale tra il vettore posizione (\vec{r}r\vec{r}) e il momento lineare (\vec{p}p\vec{p}):

    \vec{L} = \vec{r} \times \vec{p} L=r×p \vec{L} = \vec{r} \times \vec{p}

    dove \vec{p} = m \vec{v}p=mv\vec{p} = m \vec{v} è il momento lineare, con mmm massa e \vec{v}v\vec{v} velocità.

  2. Conservazione del Momento Angolare: In un sistema isolato, il momento angolare totale rimane costante se non agiscono forze esterne. Questo è espresso come:

    \frac{d\vec{L}}{dt} = \vec{0} \implies \vec{L}_{\text{iniziale}} = \vec{L}_{\text{finale}} dLdt=0    Liniziale=Lfinale \frac{d\vec{L}}{dt} = \vec{0} \implies \vec{L}_{\text{iniziale}} = \vec{L}_{\text{finale}}

  3. Momento Angolare di un Corpo Rigido: Per un corpo rigido che ruota attorno a un asse, il momento angolare è dato da:

    \vec{L} = I \vec{\omega} L=Iω \vec{L} = I \vec{\omega}

    dove III è il momento d'inerzia e \vec{\omega}ω\vec{\omega} è la velocità angolare.

Esercizio 1: Calcolo del Momento Angolare

Problema: Calcola il momento angolare di un punto materiale di massa m = 2 \, \text{kg}m=2kgm = 2 \, \text{kg} che si muove con una velocità \vec{v} = (3, 4, 0) \, \text{m/s}v=(3,4,0)m/s\vec{v} = (3, 4, 0) \, \text{m/s} a una distanza \vec{r} = (1, 2, 0) \, \text{m}r=(1,2,0)m\vec{r} = (1, 2, 0) \, \text{m} dall'origine.

Soluzione:

  1. Calcoliamo il momento lineare:
    \vec{p} = m \vec{v} = 2 \, \text{kg} \cdot (3, 4, 0) \, \text{m/s} = (6, 8, 0) \, \text{kg*m/s} p=mv=2kg(3,4,0)m/s=(6,8,0)kg*m/s \vec{p} = m \vec{v} = 2 \, \text{kg} \cdot (3, 4, 0) \, \text{m/s} = (6, 8, 0) \, \text{kg*m/s}

  2. Calcoliamo il momento angolare usando il prodotto vettoriale:

    \vec{L} = \vec{r} \times \vec{p} = (1, 2, 0) \times (6, 8, 0) L=r×p=(1,2,0)×(6,8,0) \vec{L} = \vec{r} \times \vec{p} = (1, 2, 0) \times (6, 8, 0)

    Utilizzando la regola del determinante per il prodotto vettoriale:

    \vec{L} = \begin{vmatrix} \hat{i} & \hat{j} & \hat{k} \\ 1 & 2 & 0 \\ 6 & 8 & 0 \end{vmatrix} L=i^j^k^120680 \vec{L} = \begin{vmatrix} \hat{i} & \hat{j} & \hat{k} \\ 1 & 2 & 0 \\ 6 & 8 & 0 \end{vmatrix}

    Calcolando il determinante:

    \vec{L} = (0 - 0)\hat{i} - (0 - 0)\hat{j} + (1 \cdot 8 - 2 \cdot 6)\hat{k} = (8 - 12)\hat{k} = -4\hat{k} \, \text{kg*m}^2/\text{s} L=(00)i^(00)j^+(1826)k^=(812)k^=4k^kg*m2/s \vec{L} = (0 - 0)\hat{i} - (0 - 0)\hat{j} + (1 \cdot 8 - 2 \cdot 6)\hat{k} = (8 - 12)\hat{k} = -4\hat{k} \, \text{kg*m}^2/\text{s}

    Quindi, il momento angolare è:

    \vec{L} = -4 \hat{k} \, \text{kg*m}^2/\text{s} L=4k^kg*m2/s \vec{L} = -4 \hat{k} \, \text{kg*m}^2/\text{s}

Esercizio 2: Conservazione del Momento Angolare

Problema: Un pattinatore su ghiaccio con un momento angolare iniziale di L_i = 5 \, \text{kg*m}^2/\text{s}Li=5kg*m2/sL_i = 5 \, \text{kg*m}^2/\text{s} riduce il suo raggio di rotazione da r_i = 2 \, \text{m}ri=2mr_i = 2 \, \text{m} a r_f = 1 \, \text{m}rf=1mr_f = 1 \, \text{m}. Calcola il nuovo momento angolare L_fLfL_f.

Soluzione:

  1. Poiché il momento angolare si conserva, abbiamo:

    L_i = L_f Li=Lf L_i = L_f

  2. Pertanto, il momento angolare finale è:

    L_f = 5 \, \text{kg*m}^2/\text{s} Lf=5kg*m2/s L_f = 5 \, \text{kg*m}^2/\text{s}

English version

Angular Momentum Exercises

Key Concepts

  1. Angular Momentum (\vec{L}L\vec{L}): It is a vector quantity that measures the rotational momentum of a body about a point or axis. It is defined as the vector product of the position vector (\vec{r}r\vec{r}) and the linear momentum (\vec{p}p\vec{p}):

\vec{L} = \vec{r} \times \vec{p} L=r×p \vec{L} = \vec{r} \times \vec{p}

where \vec{p} = m \vec{v}p=mv\vec{p} = m \vec{v} is the linear momentum, with mmm mass and \vec{v}v\vec{v} velocity.

  1. Conservation of Angular Momentum: In an isolated system, the total angular momentum remains constant if no external forces act. This is expressed as:

\frac{d\vec{L}}{dt} = \vec{0} \implies \vec{L}_{\text{initial}} = \vec{L}_{\text{final}} dLdt=0    Linitial=Lfinal \frac{d\vec{L}}{dt} = \vec{0} \implies \vec{L}_{\text{initial}} = \vec{L}_{\text{final}}

  1. Angular Momentum of a Rigid Body: For a rigid body rotating about an axis, the angular momentum is given by:

\vec{L} = I \vec{\omega} L=Iω \vec{L} = I \vec{\omega}

where III is the moment of inertia and \vec{\omega}ω\vec{\omega} is the angular velocity.

Exercise 1: Calculating Angular Momentum

Problem: Calculate the angular momentum of a material point of mass m = 2 \, \text{kg}m=2kgm = 2 \, \text{kg} that moves with a velocity \vec{v} = (3, 4, 0) \, \text{m/s}v=(3,4,0)m/s\vec{v} = (3, 4, 0) \, \text{m/s} at a distance \vec{r} = (1, 2, 0) \, \text{m}r=(1,2,0)m\vec{r} = (1, 2, 0) \, \text{m} from the origin.

Solution:

  1. Let's calculate the linear momentum:
    \vec{p} = m \vec{v} = 2 \, \text{kg} \cdot (3, 4, 0) \, \text{m/s} = (6, 8, 0) \, \text{kg*m/s} p=mv=2kg(3,4,0)m/s=(6,8,0)kg*m/s \vec{p} = m \vec{v} = 2 \, \text{kg} \cdot (3, 4, 0) \, \text{m/s} = (6, 8, 0) \, \text{kg*m/s}

  2. Let's calculate the angular momentum using the vector product:

\vec{L} = \vec{r} \times \vec{p} = (1, 2, 0) \times (6, 8, 0) L=r×p=(1,2,0)×(6,8,0) \vec{L} = \vec{r} \times \vec{p} = (1, 2, 0) \times (6, 8, 0)

Using the determinant rule for the vector product:

\vec{L} = \begin{vmatrix} \hat{i} & \hat{j} & \hat{k} \\ 1 & 2 & 0 \\ 6 & 8 & 0 \end{vmatrix} L=i^j^k^120680 \vec{L} = \begin{vmatrix} \hat{i} & \hat{j} & \hat{k} \\ 1 & 2 & 0 \\ 6 & 8 & 0 \end{vmatrix}

By calculating the determinant:

\vec{L} = (0 - 0)\hat{i} - (0 - 0)\hat{j} + (1 \cdot 8 - 2 \cdot 6)\hat{k} = (8 - 12)\hat{k} = -4\hat{k} \, \text{kg*m}^2/\text{s} L=(00)i^(00)j^+(1826)k^=(812)k^=4k^kg*m2/s \vec{L} = (0 - 0)\hat{i} - (0 - 0)\hat{j} + (1 \cdot 8 - 2 \cdot 6)\hat{k} = (8 - 12)\hat{k} = -4\hat{k} \, \text{kg*m}^2/\text{s}

So, the angular momentum is:

\vec{L} = -4 \hat{k} \, \text{kg*m}^2/\text{s} L=4k^kg*m2/s \vec{L} = -4 \hat{k} \, \text{kg*m}^2/\text{s}

Exercise 2: Conservation of Angular Momentum

Problem: An ice skater with an initial angular momentum of L_i = 5 \, \text{kg*m}^2/\text{s}Li=5kg*m2/sL_i = 5 \, \text{kg*m}^2/\text{s} reduces her radius of gyration from r_i = 2 \, \text{m}ri=2mr_i = 2 \, \text{m} to r_f = 1 \, \text{m}rf=1mr_f = 1 \, \text{m}. Calculate the new angular momentum L_fLfL_f.

Solution:

  1. Since angular momentum is conserved, we have:

L_i = L_f Li=Lf L_i = L_f

  1. Therefore, the final angular momentum is:

L_f = 5 \, \text{kg*m}^2/\text{s} Lf=5kg*m2/s L_f = 5 \, \text{kg*m}^2/\text{s}

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