Meccanica

Moto parabolico

Lancia un proiettile e osserva come la velocità orizzontale resti costante mentre la gravità prima frena e poi accelera il moto verticale.

Traiettoria vx vy Angolo complementare
—Gittata
—Altezza massima
—Tempo di volo
—Velocità d’impatto
—Angolo di gittata massima
Unità

Le equazioni del moto parabolico

Il moto parabolico è la composizione di due moti indipendenti. In orizzontale non agisce alcuna forza (trascurando l’aria), quindi il proiettile avanza a velocità costante. In verticale agisce la gravità, che produce un moto uniformemente accelerato. Se lanciamo con velocità v₀, angolo θ e da un’altezza h₀:

x(t) = v₀·cos θ · t
y(t) = h₀ + v₀·sin θ · t − ½·g·t²

Eliminando il tempo tra le due equazioni si ottiene una parabola, da cui il nome. Attiva i vettori nel simulatore: la freccia orizzontale (vx) non cambia mai, mentre quella verticale (vy) si accorcia in salita, scompare nel punto più alto e cresce verso il basso in discesa.

Altezza massima e gittata

Nel punto più alto la velocità verticale è zero, cosa che avviene a t = v₀·sin θ / g. Sostituendo:

hmax = h₀ + (v₀·sin θ)² / (2g)

Se si lancia da terra (h₀ = 0), la gittata è R = v₀²·sin(2θ) / g. Il seno di 2θ è massimo per θ = 45°, e poiché sin(2θ) = sin(180° − 2θ), due angoli complementari (ad esempio 30° e 60°) arrivano esattamente nello stesso punto: quello più alto impiega più tempo e sale di più, ma percorre la stessa distanza. La traiettoria tratteggiata del simulatore mostra l’angolo complementare.

E se si lancia da un’altezza?

Quando h₀ > 0 l’angolo ottimale non è più 45° ma un po’ minore, perché il proiettile ha più tempo di caduta e conviene sfruttarlo avanzando in orizzontale. L’angolo di gittata massima è θ* = arctan(v₀ / √(v₀² + 2gh₀)). Prova ad aumentare l’altezza iniziale e osserva come diminuisce questo valore.

Il simulatore trascura la resistenza dell’aria. Nella realtà un pallone o un proiettile arrivano molto meno lontano e l’angolo ottimale è inferiore a 45°.

Domande frequenti

Con quale angolo si ottiene la gittata massima?

Se il proiettile ricade alla stessa altezza da cui è partito e si trascura l’aria, la gittata massima si ottiene a 45°, perché sen(2θ) vale 1. Se si lancia da un’altezza, l’angolo ottimale è un po’ minore di 45°. Anche la resistenza dell’aria lo abbassa: nel getto del peso è di solito tra 35° e 42°.

Come si calcola la gittata di un moto parabolico?

Lanciando da terra, la gittata è R = v₀² · sen(2θ) / g. Ad esempio, un pallone lanciato a 20 m/s con 45° sulla Terra (g = 9,81 m/s²) arriva a circa 40,8 m. Il tempo di volo è t = 2 · v₀ · sen θ / g, circa 2,9 s in questo esempio.

Perché due angoli diversi danno la stessa gittata?

Perché sen(2θ) assume lo stesso valore per due angoli complementari, θ e 90° − θ. Lanciando a 30° o a 60° con la stessa velocità si arriva nello stesso punto, ma a 60° il proiettile sale molto di più e impiega più tempo a ricadere. Solo a 45° i due angoli coincidono.

Quanto più lontano arriverebbe un oggetto sulla Luna?

La gittata è inversamente proporzionale alla gravità. Sulla Luna g vale 1,62 m/s², circa 6 volte meno che sulla Terra, quindi con la stessa velocità e lo stesso angolo il proiettile arriva circa 6 volte più lontano e sale circa 6 volte più in alto. Su Giove, con 24,8 m/s², arriverebbe a meno della metà.