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Esercizi sul Moto Armonico Smorzato

Esercizi sul Moto Armonico Smorzato Esercizi sul Moto Armonico Smorzato
Esercizi sul Moto Armonico Smorzato

Versione italiana

Esercizi sul Moto Armonico Smorzato

Concetti Principali

  1. Moto Armonico Semplice (MAS):

    • È un moto oscillatorio in cui la forza che agisce sul corpo è proporzionale e opposta allo spostamento dalla posizione di equilibrio.
    • Equazione:
      F = -kx
      F=−kxF = -kx
      dove kkk è la costante elastica e xxx è lo spostamento.
  2. Smorzamento:

    • Si verifica quando una forza opposta al moto (come l'attrito) riduce l'energia del sistema.
    • Forza di smorzamento:
      F_d = -bv
      Fd=−bvF_d = -bv
      dove bbb è il coefficiente di smorzamento e vvv è la velocità.
  3. Equazione del Moto Armonico Smorzato:

    • L'equazione differenziale che descrive il moto armonico smorzato è:
      m\frac{d^2x}{dt^2} + b\frac{dx}{dt} + kx = 0
      md2xdt2+bdxdt+kx=0m\frac{d^2x}{dt^2} + b\frac{dx}{dt} + kx = 0
    • La soluzione dipende dal rapporto tra il coefficiente di smorzamento bbb e la radice quadrata del prodotto mkmkmk.
  4. Tipi di Smorzamento:

    • Sottosmorzato: b^2 < 4mkb2<4mkb^2 < 4mk - le oscillazioni si attenuano nel tempo ma il sistema continua a oscillare.
    • Criticamente smorzato: b^2 = 4mkb2=4mkb^2 = 4mk - il sistema torna alla posizione di equilibrio nel minor tempo possibile senza oscillare.
    • Sovrasmorzato: b^2 > 4mkb2>4mkb^2 > 4mk - il sistema torna alla posizione di equilibrio senza oscillare, ma più lentamente rispetto al caso critico.

Esercizi

Esercizio 1: Calcolo dell'ampiezza

Un sistema massa-molla con massa m = 2 \, \text{kg}m=2 kgm = 2 \, \text{kg} e costante elastica k = 50 \, \text{N/m}k=50 N/mk = 50 \, \text{N/m} è soggetto a uno smorzamento con coefficiente b = 5 \, \text{Ns/m}b=5 Ns/mb = 5 \, \text{Ns/m}. Calcola l'ampiezza delle oscillazioni dopo un certo tempo, sapendo che l'ampiezza iniziale è A_0 = 0.1 \, \text{m}A0=0.1 mA_0 = 0.1 \, \text{m}.

Soluzione:
L'ampiezza in un sistema sottosmorzato decresce nel tempo secondo la formula:

A(t) = A_0 e^{-\frac{b}{2m}t}
A(t)=A0e−b2mtA(t) = A_0 e^{-\frac{b}{2m}t}

Sostituendo i valori:

A(t) = 0.1 e^{-\frac{5}{2 \cdot 2}t} = 0.1 e^{-1.25t}
A(t)=0.1e−52⋅2t=0.1e−1.25tA(t) = 0.1 e^{-\frac{5}{2 \cdot 2}t} = 0.1 e^{-1.25t}

Esercizio 2: Determinazione del tipo di smorzamento

Calcola il discriminante D = b^2 - 4mkD=b2−4mkD = b^2 - 4mk per il sistema dell'esercizio 1 e determina il tipo di smorzamento.

Soluzione:
Calcoliamo DDD:

D = 5^2 - 4 \cdot 2 \cdot 50 = 25 - 400 = -375
D=52−4⋅2⋅50=25−400=−375D = 5^2 - 4 \cdot 2 \cdot 50 = 25 - 400 = -375

Poiché D < 0D<0D < 0, il sistema è sottosmorzato.

Esercizio 3: Tempo di smorzamento

Determina il tempo necessario affinché l'ampiezza delle oscillazioni scenda a 0.05 \, \text{m}0.05 m0.05 \, \text{m} nel sistema dell'esercizio 1.

Soluzione:
Impostiamo l'equazione:

0.05 = 0.1 e^{-1.25t}
0.05=0.1e−1.25t0.05 = 0.1 e^{-1.25t}

Dividendo entrambi i lati per 0.10.10.1:

0.5 = e^{-1.25t}
0.5=e−1.25t0.5 = e^{-1.25t}

Applicando il logaritmo naturale:

\ln(0.5) = -1.25t
ln⁡(0.5)=−1.25t\ln(0.5) = -1.25t

Risolvendo per ttt:

t = -\frac{\ln(0.5)}{1.25} \approx 0.554 \, \text{s}
t=−ln⁡(0.5)1.25≈0.554 st = -\frac{\ln(0.5)}{1.25} \approx 0.554 \, \text{s}

English version

Damped Harmonic Motion Exercises

Main Concepts

  1. Simple Harmonic Motion (SHM):
  • It is an oscillatory motion in which the force acting on the body is proportional and opposite to the displacement from the equilibrium position.
  • Equation:
F = -kx
F=−kxF = -kx

where kkk is the spring constant and xxx is the displacement.

  1. Damping:
  • It occurs when a force opposing the motion (such as friction) reduces the energy of the system.
  • Damping force:
F_d = -bv
Fd=−bvF_d = -bv

where bbb is the damping coefficient and vvv is the velocity.

  1. Damped Harmonic Motion Equation:
  • The differential equation describing damped harmonic motion is:
m\frac{d^2x}{dt^2} + b\frac{dx}{dt} + kx = 0
md2xdt2+bdxdt+kx=0m\frac{d^2x}{dt^2} + b\frac{dx}{dt} + kx = 0
  • The solution depends on the ratio of the damping coefficient bbb to the square root of the product mkmkmk.
  1. Damping Types:
  • Underdamped: b^2 < 4mkb2<4mkb^2 < 4mk - the oscillations fade over time but the system continues to oscillate.
  • Critically damped: b^2 = 4mkb2=4mkb^2 = 4mk - the system returns to the equilibrium position in the shortest possible time without oscillating.
  • Overdamped: b^2 > 4mkb2>4mkb^2 > 4mk - the system returns to the equilibrium position without oscillating, but more slowly than in the critical case.

Exercises

Exercise 1: Calculating the amplitude

A mass-spring system with mass m = 2 \, \text{kg}m=2 kgm = 2 \, \text{kg} and spring constant k = 50 \, \text{N/m}k=50 N/mk = 50 \, \text{N/m} is subjected to a damping coefficient b = 5 \, \text{Ns/m}b=5 Ns/mb = 5 \, \text{Ns/m}. Calculate the amplitude of the oscillations after a certain time, knowing that the initial amplitude is A_0 = 0.1 \, \text{m}A0=0.1 mA_0 = 0.1 \, \text{m}.

Solution:
The amplitude in an underdamped system decreases with time according to the formula:

A(t) = A_0 e^{-\frac{b}{2m}t}
A(t)=A0e−b2mtA(t) = A_0 e^{-\frac{b}{2m}t}

Substituting the values:

A(t) = 0.1 e^{-\frac{5}{2 \cdot 2}t} = 0.1 e^{-1.25t}
A(t)=0.1e−52⋅2t=0.1e−1.25tA(t) = 0.1 e^{-\frac{5}{2 \cdot 2}t} = 0.1 e^{-1.25t}

Exercise 2: Determining the type of damping

Calculate the discriminant D = b^2 - 4mkD=b2−4mkD = b^2 - 4mk for the system in exercise 1 and determine the type of damping.

Solution:
Let's calculate DDD:

D = 5^2 - 4 \cdot 2 \cdot 50 = 25 - 400 = -375
D=52−4⋅2⋅50=25−400=−375D = 5^2 - 4 \cdot 2 \cdot 50 = 25 - 400 = -375

Since D < 0D<0D < 0, the system is underdamped.

Exercise 3: Damping Time

Find the time required for the amplitude of the oscillations to decrease to 0.05 \, \text{m}0.05 m0.05 \, \text{m} in the system of exercise 1.

Solution:
Set up the equation:

0.05 = 0.1 e^{-1.25t}
0.05=0.1e−1.25t0.05 = 0.1 e^{-1.25t}

Dividing both sides by 0.10.10.1:

0.5 = e^{-1.25t}
0.5=e−1.25t0.5 = e^{-1.25t}

Applying the natural logarithm:

\ln(0.5) = -1.25t
ln⁡(0.5)=−1.25t\ln(0.5) = -1.25t

Solving for ttt:

t = -\frac{\ln(0.5)}{1.25} \approx 0.554 \, \text{s}
t=−ln⁡(0.5)1.25≈0.554 st = -\frac{\ln(0.5)}{1.25} \approx 0.554 \, \text{s}

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