Versione italiana
Esercizi sul Momento Angolare
Concetti Chiave
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Momento Angolare (\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}) e il momento lineare (\vec{p}):
\vec{L} = \vec{r} \times \vec{p}
dove \vec{p} = m \vec{v} è il momento lineare, con m massa e \vec{v} velocità.
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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}}
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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}
dove I è il momento d'inerzia e \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} che si muove con una velocità \vec{v} = (3, 4, 0) \, \text{m/s} a una distanza \vec{r} = (1, 2, 0) \, \text{m} dall'origine.
Soluzione:
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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} -
Calcoliamo il momento angolare usando il prodotto vettoriale:
\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}
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}
Quindi, il momento angolare è:
\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} riduce il suo raggio di rotazione da r_i = 2 \, \text{m} a r_f = 1 \, \text{m}. Calcola il nuovo momento angolare L_f.
Soluzione:
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Poiché il momento angolare si conserva, abbiamo:
L_i = L_f
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Pertanto, il momento angolare finale è:
L_f = 5 \, \text{kg*m}^2/\text{s}
English version
Angular Momentum Exercises
Key Concepts
- Angular Momentum (\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}) and the linear momentum (\vec{p}):
\vec{L} = \vec{r} \times \vec{p}
where \vec{p} = m \vec{v} is the linear momentum, with m mass and \vec{v} velocity.
- 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}}
- 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}
where I is the moment of inertia and \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} that moves with a velocity \vec{v} = (3, 4, 0) \, \text{m/s} at a distance \vec{r} = (1, 2, 0) \, \text{m} from the origin.
Solution:
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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} -
Let's calculate the angular momentum using the vector product:
\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}
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}
So, the angular momentum is:
\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} reduces her radius of gyration from r_i = 2 \, \text{m} to r_f = 1 \, \text{m}. Calculate the new angular momentum L_f.
Solution:
- Since angular momentum is conserved, we have:
L_i = L_f
- Therefore, the final angular momentum is:
L_f = 5 \, \text{kg*m}^2/\text{s}
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