La cinemática è una branca della fisica classica che si occupa esclusivamente della descrizione del movimento dei corpi, senza tener conto delle interazioni che hanno causato tale movimento La cinemática si concentra sullo studio del movimento dei corpi in termini di posizione, velocità e accelerazione, senza considerare le forze che agiscono su di essi.
Principi della cinemática
La cinemática traslazionale è la descrizione del movimento di un punto materiale di massa m, chiamato "particella". Per descrivere la posizione della particella, è necessario un sistema di riferimento, che è un punto dal quale viene osservata la particella. Il sistema di riferimento è costituito da tre assi cartesiani perpendicolari tra loro, che vengono utilizzati per definire la posizione di un punto nello spazio mediante un sistema di coordinate.
Le principali grandezze cinematiche utilizzate per descrivere il movimento sono:
- Posizione: è il vettore che parte dall'origine del sistema di riferimento e arriva alla posizione della particella. Dipende dalle coordinate spaziali, che a loro volta dipendono dal tempo.
- Velocità: è la misura del cambiamento di posizione per unità di tempo. Rappresenta la rapidità e la direzione del movimento.
- Accelerazione: è il cambiamento di velocità per unità di tempo. Nella meccanica classica, l'accelerazione è proporzionale alla forza netta sulla particella, con la costante di proporzionalità che rappresenta la massa della particella stessa.
Tipi di movimento nella cinemática
Nella cinemática, i tipi di movimento vengono classificati in base alla traiettoria e al valore dell'accelerazione. I principali tipi di movimento sono:
- Movimento rettilineo uniforme (MRU): quando la traiettoria è una linea retta e l'accelerazione è nulla.
- Movimento rettilineo uniformemente accelerato (MRUA): se la particella segue una linea retta e l'accelerazione è costante e parallela alla velocità.
- Movimento rettilineo uniformemente decelerato (MRUD): quando la traiettoria è una linea retta, ma l'accelerazione è diretta in senso contrario alla velocità.
- Movimento parabolico: è un movimento nel piano verticale che produce una traiettoria parabolica ed avviene quando un oggetto viene lanciato in aria. Il movimento parabolico è la combinazione di un movimento rettilineo uniforme orizzontale e un movimento verticale accelerato.
- Movimento circolare uniforme (MCU): si verifica quando la particella si muove lungo una circonferenza, descrivendo archi uguali in tempi uguali.
- Movimento circolare uniformemente accelerato (MCUA): si verifica quando la particella si muove lungo una circonferenza in modo tale che l'arco percorso aumenti nel tempo secondo una legge quadratica.
Esempi di cinemática
Rapidezza e velocità
La rapidità è la misura con cui cambia la posizione di un oggetto. In termini semplici, si può dire che una macchina va più veloce di un'altra se la sua posizione cambia di più nello stesso intervallo di tempo. La rapidità è il rapporto tra la distanza percorsa e il tempo impiegato per percorrere quella distanza.
Ad esempio, supponiamo di avere due automobili, una gialla e una rossa, che viaggiano lungo una strada. Un osservatore sulla strada misura il tempo impiegato da ciascuna automobile per percorrere un tratto di 500 metri. L'automobile gialla impiega 10 secondi, mentre quella rossa impiega 25 secondi. Quindi, la rapidità dell'automobile gialla è:
500 m / 10 s = 50 m/s = 180 km/h
Mentre la rapidità dell'automobile rossa è:
500 m / 25 s = 20 m/s = 72 km/h
L'osservatore può concludere che l'automobile gialla è più veloce della rossa. Tuttavia, per determinare la velocità delle automobili, è necessario conoscere anche la direzione del movimento. Se l'osservatore stabilisce che la direzione da sinistra a destra è positiva e l'automobile gialla si muove in quella direzione, allora la sua velocità sarà +180 km/h. Ma se l'automobile rossa si muove nella direzione opposta, allora la sua velocità sarà -72 km/h.
Velocità istantanea e velocità media
Quando gli oggetti si muovono, possono avere variazioni istantanee nella loro velocità. Ad esempio, in un dato istante, il tachimetro di un'auto segna 50 km/h, ma gradualmente il valore scende a 0 km/h a causa di un semaforo rosso. Successivamente, quando il semaforo diventa verde, il tachimetro inizia a salire fino a raggiungere un valore di 40 km/h e rimane costante fino a quando l'auto si ferma di nuovo. In casi come questo, la rapidità cambia istante per istante.
Se il percorso precedente viene completato in un tempo totale di 60 minuti e la distanza totale percorsa è di 20 km, allora la velocità media è:
20 km / 60 min = 20 km/h
Tuttavia, la velocità media non fornisce informazioni sulle variazioni che sono avvenute nel frattempo.
Accelerazione
L'accelerazione è il cambiamento di velocità per unità di tempo. La velocità può cambiare a causa di variazioni nella rapidità, nella direzione o in entrambe contemporaneamente. Ad esempio, gli oggetti che cadono in caduta libera sperimentano un'accelerazione, poiché la loro rapidità aumenta istante per istante. Sulla superficie terrestre, l'accelerazione di caduta dei corpi è approssimativamente g = 10 m/s², il che significa che la rapidità durante la caduta aumenta di 10 m/s per ogni secondo trascorso.
Ad esempio, un oggetto che viene lasciato cadere da fermo per 2 secondi acquisisce una rapidità di 20 m/s, e la distanza percorsa durante la caduta è di 20 metri. Ma se la caduta dura 4 secondi, allora l'oggetto acquisirà una rapidità di 40 m/s e la distanza percorsa durante la caduta sarà ovviamente maggiore: 80 m.
Questo è solo un breve riassunto della cinemática e dei suoi principi. Per ulteriori dettagli e approfondimenti, ti consiglio di consultare fonti specializzate come libri di testo di fisica o risorse online affidabili.