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Attrito su un piano inclinato

Questo esercizio presenta una tipologia ricorrente: Una cassa di massa m = 2 kg inizialmente ferma scende lungo un piano inclinato con un angolo α = 30°.
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Questo esercizio presenta una tipologia ricorrente: Una cassa di massa m = 2 kg inizialmente ferma scende lungo un piano inclinato con un angolo α = 30°. Sapendo che l'accelerazione della cassa è di 1,5 m/s^2 , determinare il coefficiente di attrito tra la cassa e il piano. Finita la discesa, lunga 10 m, la cassa prosegue il moto su un piano orizzontale sempre con lo stesso coefficiente di attrito. Quale distanza percorre prima di fermarsi?

Ecco la mia risposta: Quando la cassa è sul piano inclinato è soggetta a tre forze: la forza peso \(\vec F_p\) orientata verticalmente e di intensità \(F_p=mg=\mathrm{20\,N}\), che scomponiamo in una componente parallela al piano, \(F_{//}=F_p\cdot\sin(\alpha)\) e una perpendicolare a esso, \(F_{\perp}=F_p\cdot\cos(\alpha)\) ; la reazione vincolare del piano \(\vec R\) perpendicolare al piano inclinato e di intensità pari alla componente della forza peso perpendicolare al piano, \(R=F_{\perp}\); e la forza di attrito \(\vec F_a\) parallela al piano, di intensità pari al prodotto del coefficiente di attrito \(\mu\) per la componente della forza peso perpendicolare al piano, \(F_a=\mu\cdot F_{\perp}\). Con i dati dell'esercizio: \(F_p=\mathrm{20\,N}\), \(F_{//}=\mathrm{10\,N}\), \(F_{\perp}=R=\mathrm{17\,N}\).

Troviamo la forza totale. Nella somma vettoriale fra \(\vec F_p\) e \(\vec R\), \(\vec R\) e la componente \(\vec F_{\perp}\) della forza peso si annullano, e la somma parziale è uguale a \(\vec F_{//}\). La forza totale è quindi uguale alla somma fra \(\vec F_{//}\) e \(F_a\), \(\vec F_T=\vec F_{//}+\vec F_a\). Dato che queste due forze hanno verso opposto l'intensità della forza totale è \(F_T=F_{//}-F_a=mg\cdot\sin(\alpha)-\mu mg\cdot\cos(\alpha)=mg\cdot\sin(\alpha)-\mu mg\cdot\cos(\alpha)\).

Dalla seconda legge di Newton si ricava che l'accelerazione della cassa sul piano è uguale al rapporto fra la forza totale e la massa, quindi \(a=g\left(\cdot\sin(\alpha)-\mu \cdot\cos(\alpha)\right)\). Conoscendo \(a\), \(g\) e \(\alpha\) calcoliamo \(\mu=0,40\).

Per percorrere con accelerazione \(a\) una distanza pari alla lunghezza \(l\) del piano inclinato ci vuole un intervallo di tempo \(\displaystyle t=\sqrt{\frac{2l}{a}}=\mathrm{3,7\,s}\). In questo intervallo di tempo la cassa acquista una velocità \(\displaystyle v=a\cdot t =\mathrm{5,5\,\frac{m}{s}}\).

Quando la cassa inizia a muoversi sul piano orizzontale, la nuova forza totale che agisce su di essa risulta uguale alla forza di attrito \(\vec F_a'\), di intensità pari a \(\mu\cdot mg\). L'accelerazione (di verso opposto al moto) risulta quindi \(\displaystyle a'=\mu g=\mathrm{3,9\frac{m}{s^2}}\).

Con questa accelerazione il tempo necessario a fermarsi è \(\displaystyle t'=\frac{v}{a'}=\mathrm{1,4\,s}\). In questo intervallo di tempo la distanza percorsa è \[\displaystyle s=v\cdot t' +\frac{1}{2}a'\cdot t'^2 = \mathrm{5,5\frac{m}{s}\cdot 1,4\,s-\frac{1}{2}3,9\frac{m}{s^2}\left(1,4\,s\right)^2=3,9\,m}.\]Si noti il segno meno attribuito all'accelerazione, legato al fatto che l'accelerazione \(a'\) è opposta al moto.

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