Quale è la differenza di potenziale ai capi del condensatore?

Il seguente esercizio è stato tratto dal libro “L’Amaldi per i licei scientifici.blu 2”.

Testo

Il cannone elettronico di un tubo a raggi catodici produce elettroni con velocità di 0.65 \cdot 10 ^ {7} m/s. Il fascio prodotto attraversa le piastre di un condensatore e gli elettroni subiscono una deviazione dall’asse orizzontale di 2.9 mm. Le armature del condensatore sono lunghe 7.0 cm e distano tra loro di 6.0mm

Calcola la differenza di potenziale che è applicata al condensatore.

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Misurazione delle accelerazioni in un esercizio di flessione ed estensione del gomito

In questo documento si mostrano le misurazioni delle accelerazioni per un’esecuzione di flessione ed estensione del gomito.

Per la realizzazione della prova è stato utilizzato uno smartphone Android Samsung Note 9 ed è stata eseguita, in piedi, una serie di 15 ripetizioni di flessione ed estensione del gomito.

Tramite un’applicazione Android custom sono state registrate le accelerazioni rilevate dallo smartphone durante l’esecuzione del movimento, i dati sono stati registrati alla frequenza di 100Hz.

La prova è stata condotta in modo tale che il soggetto rimanesse inizialmente fermo per una decina di secondi, dopodiché esso era legittimato a cominciare a eseguire le ripetizioni. Le fasi le rilevazioni dei primi 3 secondi si considerano non significative, in quanto correlate all’avvio dell’applicazione e alla presa della posizione iniziale. La posizione iniziale richiesta era quella anatomica e cioè: postura eretta, gomiti accostati ai fianchi, palmi delle mani rivolti all’osservatore, piedi avvicinati e leggermente divaricati.

A close up of a womans face

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Figura 1 Posizione anatomica con riferimenti anatomici

Lo smartphone veniva mantenuto saldo dalla mano destra durante la fase iniziale di riposo e durante tutta la prova, con la facciata dello schermo rivolta verso l’osservatore, come il palmo della mano destra. Era stato richiesto al soggetto di provare a mantenere lo stesso ritmo di esecuzione per ogni ripetizione. Veniva consentito all’esecutore di osservare un orologio analogico per darsi il ritmo.

Il sistema di riferimento dello smartphone è rappresentato nella figura seguente.

Figura 2 Sistema di riferimento dello smartphone.

Il sistema di riferimento è fissato in modo tale che l’asse z sia perpendicolare allo schermo e l’asse y sia sull’asse maggiore di simmetria. L’asse x è invece perpendicolare agli altri due a formare un sistema destrorso.

Qui di seguito vengono riportati i dati registrati durante l’esecuzione, essi sono stati esportati e messi a grafico tramite l’ausilio dell’ambiente di calcolo Matlab.

Figura 3 Dati di accelerazione registrati per un esercizio di flessione ed estensione del gomito

Come è possibile evincere dai grafici ci sono 15 periodi di funzione, visibili su tutti e tre gli assi, corrispondenti alle 15 ripetizioni effettuate.

Sono state svolte 15 ripetizioni in circa 24 secondi per una media di circa 1.6 secondi a ripetizione.

I grafici mostrano una componente lungo x a riposo di circa 10 m/s^2, lasciando intendere come l’accelerazione gravitazionale abbia una componente significativa sull’asse x per la posizione di riposo.

Nonostante fosse ragionevole aspettarsi componenti di accelerazione molto significative sull’asse x è risultato che gli scostamenti sull’asse y hanno una significatività del 33% risetto a tale asse.

I dati suggeriscono che le componenti di accelerazione più significative giacciono sull’asse z.

Come stimare la posizione di un punto materiale in un moto qualunque conoscendone la funzione accelerazione

Si supponga di conoscere la funzione vettoriale dell’accelerazione nel tempo \vec{a}(t) di un punto materiale. La posizione del punto materiale può essere ricavata tramite doppia integrazione successiva delle componenti della funzione vettoriale dell’accelerazione.
Si supponga dapprima che \vec{a}(t) sia costante e chiamiamo tale vettore costante semplicemente \vec{a}.
Si considerino le tre componenti del vettore accelerazione costante:

\vec{a}\left(a_{x}, a_{y}, a_{z}\right)

Per ricavare le velocità del punto materiale si considera che in fisica vale:

\vec{v}\left(\begin{array}{l} \int a_{x} d t \\ \int a_{y} d t \\ \int a_{z} d t \end{array}\right)

Ovvero:

\vec{v} \left( \begin{array}{c} a_{x}t+v_{0x} \\ a_{y}t+v_{0y} \\ a_{z}t+v_{0z} \end{array}\right)


In cui \vec{v}_{0} \left(v_{0x}, v_{0y}, v_{0z} \right) è il vettore dei termini costanti derivanti dall’integrazione delle componenti di \vec{v} e rappresenta il vettore velocità iniziale nelle tre direzioni dello spazio. Per poter ricavare la posizione si deve integrare ancora, questa volta la velocità. Così si ottiene:

\vec{s} \left(\begin{array}{c} \int a_{x} t+v_{0 x} d t \\ \int a_{y} t+v_{0 y} d t \\ \int a_{z} t+v_{0z} dt \end{array} \right)

E quindi:

\vec{s}\left(\begin{array}{l} \frac{1}{2} a_{x} t^{2}+v_{0 x} t+s_{0x} \\ \frac{1}{2} a_{y} t^{2}+v_{0 y} t+s_{0y} \\ \frac{1}{2} a_{z} t^{2}+v_{0 z} t+s_{0z} \end{array}\right)

Quest’ultimo rappresenta il vettore delle posizioni del punto materiale nello spazio con accelerazione costante. Le componenti di tale vettore posizione sono quelle che in fisica si chiamano legge oraria del moto rettilineo uniformemente accelerato. Risulta insensato pretendere che tale legge valga anche quando l’accelerazione è variabile, inoltre praticamente in nessuna applicazione dinamica reale l’accelerazione è sempre costante.

Tuttavia è anche vero che, per intervalli di tempo sufficientemente piccoli l’accelerazione può essere considerata costante. Per tale motivo, in applicazione di algoritmi software per il calcolo della posizione di un punto materiale note le sue accelerazioni, può risultare sensato l’utilizzo della legge oraria. Supponiamo di voler calcolare la posizione di un punto materiale via software e di rilevarne l’accelerazione digitalmente, tramite accelerometro.

Sia data, di tale misurazione, la frequenza di campionamento f_c.La distanza temporale tra un campione e l’altro è di:

T = \frac{1}{f_c}

Utilizzare la legge oraria per il calcolo della posizione del punto materiale ogni T secondi appare ragionevole solo se T è sufficientemente piccolo. Il periodo è sufficientemente piccolo se non ci si aspetta entro T secondi che ci siano variazioni significative di accelerazione lineare in nessuna delle tre direzioni spaziali. Questa assunzione è sicuramente approssimativa però abbastanza giustificata se si considera un intervallo di tempo sufficientemente piccolo.

Siano i campioni di accelerazione, provenienti dal sensore, nominati come segue:

\vec{a}_{1}, \vec{a}_{2}, \vec{a}_{3}, \vec{a}_{4}, \ldots, \vec{a}_{n-1}, \vec{a}_{n}

Siano gli istanti di tempo, relativi a quelle accelerazioni, nominati come segue:

t_{1}, t_{2}, t_{3}, t_{4}, \ldots, t_{n-1}, t_{n}

Le velocità, in ogni istante di tempo saranno:

\vec{v}_{1}=\left(t_{1}-t_{0}\right) \vec{a}_{0}+\vec{v}_{0}

\vec{v}_{2}=\left(t_{2}-t_{1}\right) \vec{a}_{1}+\vec{v}_{1}

\vec{v}_{i}=\left(t_{i}-t_{i-1}\right) \vec{a}_{i-1}+\vec{v}_{i-1}

\vec{v}_{n}=\left(t_{n}-t_{n-1}\right) \vec{a}_{n-1}+\vec{v}_{n-1}

Siccome non è nota la velocità \vec{v}_{1} e non può esserlo a causa della mancanza di dati allora, per comodità, si può imporre uguale a zero e considerare significativi i valori di velocità a partire da \vec{v}_{2}. Per questo tipo di algoritmo è necessario che \vec{v}_{0} = 0.

Quando invece si calcola la posizione si considera che, per ogni intervallo, vale quanto segue:

\vec{s}_{i}=\vec{s}_{i-1}+\vec{v}_{i-1} t+\frac{1}{2} \vec{a}_{i-1} t^{2}

Per migliorare il modo di calcolare la velocità e la posizione del punto materiale si potrebbe pensare di fare la media delle due accelerazioni \vec{a}_{i-1} e \vec{a}_{i}.

\vec{a}_{AVG} \left( \frac{a_{i, x}+a_{i-1, x}}{2}, \frac{a_{i, y}+a_{i-1, y}}{2}, \frac{a_{i, z}+a_{i-1, z}}{2} \right)

Quindi il moto del punto materiale sarebbe meglio definito da:

\left \{ \begin{matrix} \vec{v}_{i}=\left(t_{i}-t_{i-1}\right) \vec{a}_{AVG}+\vec{v}_{i-1} \\ \vec{s}_{i}=\vec{s}_{i-1}+\vec{v}_{i-1}(t_{i}-t_{i-1})+\frac{1}{2} \vec{a}_{AVG}\left(t_{i}-t_{i-1} \right)^{2} \end{matrix} \right.

Anche questa soluzione risulta incompleta per motivi di rumore. Infatti non è proprio vero che le varie accelerazioni misurate sono nella forma:

\vec{a}_{1}, \vec{a}_{2}, \vec{a}_{3}, \vec{a}_{4}, \ldots, \vec{a}_{n-1}, \vec{a}_{n}

Piuttosto è vero che esse sono nella forma:

\vec{a}_{i} + \vec {\varepsilon}_{i} per i = 1, 2,..., n-1, n

In cui i vari termini \vec {\varepsilon}_{i} sono gli errori di misurazione che la sensoristica inevitabilmente commette. Nei prossimi post quali sono i problemi che possono nascere da questi errori e una delle tecniche possibili che si utilizzano per contenerli.

Qui di seguito puoi scaricare il documento relativo a questo post: