Versione italiana
Esercizi sul prodotto vettoriale
Teoria del Prodotto Vettoriale
Il prodotto vettoriale è un’operazione algebrica che prende due vettori in uno spazio tridimensionale e restituisce un nuovo vettore che è perpendicolare ai due vettori originali. È uno strumento fondamentale in fisica e ingegneria, utilizzato per calcolare momenti, forze e aree.
Definizione
Se abbiamo due vettori a e b in uno spazio tridimensionale, il prodotto vettoriale è definito come:
\mathbf{a} \times \mathbf{b} = |\mathbf{a}| |\mathbf{b}| \sin(\theta) \, \mathbf{n}
dove:
- |\mathbf{a}| e |\mathbf{b}| sono le lunghezze (norme) dei vettori,
- \theta è l’angolo tra i due vettori,
- \mathbf{n} è un versore che segue la regola della mano destra.
In forma componente, se:
\mathbf{a} = (a_1, a_2, a_3) \quad \text{e} \quad \mathbf{b} = (b_1, b_2, b_3)
allora il prodotto vettoriale può essere calcolato utilizzando il determinante di una matrice:
\mathbf{a} \times \mathbf{b} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \end{vmatrix}
Dove \mathbf{i}, \mathbf{j}, \mathbf{k} sono i versori delle coordinate x, y e z.
Proprietà del Prodotto Vettoriale
- Anticommutatività: \mathbf{a} \times \mathbf{b} = -(\mathbf{b} \times \mathbf{a})
- Distributività: \mathbf{a} \times (\mathbf{b} + \mathbf{c}) = \mathbf{a} \times \mathbf{b} + \mathbf{a} \times \mathbf{c}
- Associatività rispetto alla moltiplicazione per uno scalare: k(\mathbf{a} \times \mathbf{b}) = (k\mathbf{a}) \times \mathbf{b} = \mathbf{a} \times (k\mathbf{b})
Esercizi sul Prodotto Vettoriale
Esercizio 1: Calcolo del Prodotto Vettoriale
Calcola il prodotto vettoriale dei vettori:
\mathbf{a} = (2, 3, 4) \quad e \quad \mathbf{b} = (1, 0, -1)
Svolgimento:
Utilizziamo la formula del determinante per calcolare il prodotto vettoriale:
\begin{align*} \mathbf{a} \times \mathbf{b} &= \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ 2 & 3 & 4\\ 1 & 0 & -1 \end{vmatrix}\\ &= \mathbf{i}\begin{vmatrix} 3 & 4\\ 0 & -1 \end{vmatrix} - \mathbf{j}\begin{vmatrix} 2 & 4\\ 1 & -1 \end{vmatrix} + \mathbf{k}\begin{vmatrix} 2 & 3\\ 1 & 0 \end{vmatrix}\\ &= \mathbf{i}(3(-1) - 4(0)) - \mathbf{j}(2(-1) - 4(1)) + \mathbf{k}(2(0) - 3(1))\\ &= -3\mathbf{i} - (-2 - 4)\mathbf{j} - 3\mathbf{k}\\ &= -3\mathbf{i} + 6\mathbf{j} - 3\mathbf{k}\\ &= (-3, 6, -3) \end{align*}
Risultato:
Il prodotto vettoriale \mathbf{a} \times \mathbf{b} = (-3, 6, -3).
Esercizio 2: Calcolo dell’Area di un Parallelogramma
Calcola l’area del parallelogramma formato dai vettori:
\mathbf{x} = (4, 5, 0) \quad e \quad \mathbf{y} = (1, -2, 3)
Svolgimento:
L’area del parallelogramma formato dai due vettori è data dalla norma del loro prodotto vettoriale:
A = |\mathbf{x} \times \mathbf{y}|
Calcoliamo prima il prodotto vettoriale:
\begin{align*} \mathbf{x} \times \mathbf{y} &= \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k}\\ 4 & 5 & 0\\ 1 & -2 & 3 \end{vmatrix}\\ &= \begin{vmatrix} 5 & 0\\ -2 & 3 \end{vmatrix}\,\textbf{i} - \begin{vmatrix} 4 & 0\\ 1 & 3 \end{vmatrix}\,\textbf{j} + \begin{vmatrix} 4 & 5\\ 1 & -2 \end{vmatrix}\,\textbf{k}\\ &= (5(-2) - (0)(3))\,\textbf{i} - (4(3) - (0)(1))\,\textbf{j} + (4(-2) - (5)(1))\,\textbf{k}\\ &= (-10)\,\textbf{i}-12\,\textbf{j}+(-8-5)\,\textbf{k}\\ &= (-10)\,\textbf{i}-12\,\textbf{j}+(-13)\,\textbf{k}\\ &= (-10,-12,-13) \end{align*}
Ora calcoliamo la norma del prodotto vettoriale:
|\mathbf{x} \times \mathbf{y}| = \sqrt{-10^2 + (-12)^2 + (-13)^2}= \sqrt {100 + 144 +169}= \sqrt {413}.
Risultato:
L’area del parallelogramma è A = |\sqrt {413}|.
Esercizio 3: Prodotto Vettoriale in Fisica
Due forze agiscono su un oggetto:
- Forza F₁ con modulo di 10 N nella direzione dell’asse x.
- Forza F₂ con modulo di 15 N nella direzione dell’asse y.
Calcola il momento torcentale rispetto all’origine generato da queste forze se i punti di applicazione sono rispettivamente P₁(1,0) e P₂(0,2).
Svolgimento:
Il momento torcentale M è dato dal prodotto vettoriale tra il raggio e la forza applicata:
M = r × F.
Calcoliamo i momenti torcentali separatamente per ciascuna forza.
-
Per la forza F₁ applicata nel punto P₁(1,0):
F₁ = (10,0)
r₁ = (1,0)
Calcoliamo il momento:
M₁ = r₁ × F₁ = (1,0) × (10,0) = |i j| |1 0| |10 0| = (0)i + (-10)j + (0)k = M₁ = (0,-10,0).
-
Per la forza F₂ applicata nel punto P₂(0,2):
F₂ = (0,15)
r₂ = (0,2)
Calcoliamo il momento:
M₂ = r₂ × F₂ = (0,2) × (0,15) = |i j| |0 2| |0 15| = (-30)i + (0)j + (0)k = M₂ = (-30,0,0).
Ora sommiamo i momenti torcentali:
M_{totale}= M₁ + M₂ = (0,-10,0)+(-30,0,0)=(-30,-10,0).
Risultato:
Il momento torcentale totale generato dalle forze è M_{totale}=(-30,-10,0).
English version
Vector Product Exercises
Vector Product Theory
The vector product is an algebraic operation that takes two vectors in a three-dimensional space and returns a new vector that is perpendicular to the two original vectors. It is a fundamental tool in physics and engineering, used to calculate moments, forces, and areas.
Definition
If we have two vectors a and b in a three-dimensional space, the vector product is defined as:
\mathbf{a} \times \mathbf{b} = |\mathbf{a}| |\mathbf{b}| \sin(\theta) \, \mathbf{n}
where:
- |\mathbf{a}| and |\mathbf{b}| are the lengths (norms) of the vectors,
- \theta is the angle between the two vectors,
- \mathbf{n} is a versor that follows the right-hand rule.
In component form, if:
\mathbf{a} = (a_1, a_2, a_3) \quad \text{e} \quad \mathbf{b} = (b_1, b_2, b_3)
then the cross product can be computed using the determinant of a matrix:
\mathbf{a} \times \mathbf{b} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \end{vmatrix}
Where \mathbf{i}, \mathbf{j}, \mathbf{k} are the unit vectors of the x, y and z coordinates.
Vector Product Properties
- Anticommutativity: \mathbf{a} \times \mathbf{b} = -(\mathbf{b} \times \mathbf{a})
- Distributivity: \mathbf{a} \times (\mathbf{b} + \mathbf{c}) = \mathbf{a} \times \mathbf{b} + \mathbf{a} \times \mathbf{c}
- Associativity under scalar multiplication: k(\mathbf{a} \times \mathbf{b}) = (k\mathbf{a}) \times \mathbf{b} = \mathbf{a} \times (k\mathbf{b})
Vector Product Exercises
Exercise 1: Calculating the Vector Product
Calculate the vector product of the vectors:
\mathbf{a} = (2, 3, 4) \quad and \quad \mathbf{b} = (1, 0, -1)
Procedure:
We use the determinant formula to calculate the vector product:
\begin{align*} \mathbf{a} \times \mathbf{b} &= \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ 2 & 3 & 4\\ 1 & 0 & -1 \end{vmatrix}\\ &= \mathbf{i}\begin{vmatrix} 3 & 4\\ 0 & -1 \end{vmatrix} - \mathbf{j}\begin{vmatrix} 2 & 4\\ 1 & -1 \end{vmatrix} + \mathbf{k}\begin{vmatrix} 2 & 3\\ 1 & 0 \end{vmatrix}\\ &= \mathbf{i}(3(-1) - 4(0)) - \mathbf{j}(2(-1) - 4(1)) + \mathbf{k}(2(0) - 3(1))\\ &= -3\mathbf{i} - (-2 - 4)\mathbf{j} - 3\mathbf{k}\\ &= -3\mathbf{i} + 6\mathbf{j} - 3\mathbf{k}\\ &= (-3, 6, -3) \end{align*}
Result:
The vector product \mathbf{a} \times \mathbf{b} = (-3, 6, -3).
Exercise 2: Calculating the Area of a Parallelogram
Calculate the area of the parallelogram formed by the vectors:
\mathbf{x} = (4, 5, 0) \quad and \quad \mathbf{y} = (1, -2, 3)
Process:
The area of the parallelogram formed by the two vectors is given by the norm of their vector product:
A = |\mathbf{x} \times \mathbf{y}|
Let’s first calculate the vector product:
\begin{align*} \mathbf{x} \times \mathbf{y} &= \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k}\\ 4 & 5 & 0\\ 1 & -2 & 3 \end{vmatrix}\\ &= \begin{vmatrix} 5 & 0\\ -2 & 3 \end{vmatrix}\,\textbf{i} - \begin{vmatrix} 4 & 0\\ 1 & 3 \end{vmatrix}\,\textbf{j} + \begin{vmatrix} 4 & 5\\ 1 & -2 \end{vmatrix}\,\textbf{k}\\ &= (5(-2) - (0)(3))\,\textbf{i} - (4(3) - (0)(1))\,\textbf{j} + (4(-2) - (5)(1))\,\textbf{k}\\ &= (-10)\,\textbf{i}-12\,\textbf{j}+(-8-5)\,\textbf{k}\\ &= (-10)\,\textbf{i}-12\,\textbf{j}+(-13)\,\textbf{k}\\ &= (-10,-12,-13) \end{align*}
Now let’s calculate the norm of the vector product:
|\mathbf{x} \times \mathbf{y}| = \sqrt{-10^2 + (-12)^2 + (-13)^2}= \sqrt {100 + 144 +169}= \sqrt {413}.
Result:
The area of the parallelogram is A = |\sqrt {413}|.
Exercise 3: Vector Product in Physics
Two forces act on an object:
- Force F₁ with a magnitude of 10 N in the direction of the x-axis.
- Force F₂ with a magnitude of 15 N in the direction of the y-axis.
Calculate the torque with respect to the origin generated by these forces if the application points are respectively P₁(1,0) and P₂(0,2).
Procedure:
The torque M is given by the vector product of the radius and the applied force:
M = r × F.
Let’s calculate the torques separately for each force.
- For the force F₁ applied at the point P₁(1,0):
F₁ = (10,0)
r₁ = (1,0)
Let’s calculate the torque:
M₁ = r₁ × F₁ = (1,0) × (10,0) = |i j| |1 0| |10 0| = (0)i + (-10)j + (0)k = M₁ = (0,-10,0).
- For the force F₂ applied at the point P₂(0.2):
F₂ = (0.15)
r₂ = (0.2)
Let’s calculate the moment:
M₂ = r₂ × F₂ = (0.2) × (0.15) = |i j| |0 2| |0 15| = (-30)i + (0)j + (0)k = M₂ = (-30,0,0).
Now let’s add the torques:
M_{total}= M₁ + M₂ = (0,-10,0)+(-30,0,0)=(-30,-10,0).
Result:
The total torque generated by the forces is M_{total}=(-30,-10,0).
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