Il momento angolare è la grandezza rotazionale analoga alla quantità di moto. Come l’energia cinetica, anche il momento angolare di un sistema si scompone in un contributo “del CM” (orbitale) e uno “interno” (spin), con una legge di conservazione quando i momenti esterni sono nulli.

Angular momentum is the rotational quantity analogous to momentum. Like kinetic energy, a system’s angular momentum also decomposes into a “CM” contribution (orbital) and an “internal” one (spin), with a conservation law when the external moments are zero.

Il momento angolare è alla rotazione ciò che la quantità di moto è alla traslazione: misura “quanto” un corpo sta ruotando attorno a un punto, tenendo conto sia della sua quantità di moto sia di quanto passa lontano dal punto.

Principio — Momento angolare

Il momento angolare di un corpo rispetto a un punto O è L⃗=r⃗×p⃗=r⃗×(m v⃗)\ev{\vec{L} = \vec{r} \times \vec{p} = \vec{r} \times (m\,\vec{v})}

Il prodotto vettoriale r⃗×p⃗\vec{r} \times \vec{p} dice che contano tre cose: la quantità di moto p⃗\vec{p}, la distanza rr dal punto O, e l’angolo tra i due. Un corpo che si muove dritto verso il punto O (o dritto via da esso) ha momento angolare nullo rispetto a O, perché r⃗\vec{r} e p⃗\vec{p} sono paralleli. Il momento angolare è massimo quando il moto è perpendicolare al raggio, cioè quando il corpo “gira attorno” al punto.

In due dimensioni, con r⃗=(x,y)\vec{r} = (x, y) e p⃗=(px,py)\vec{p} = (p_x, p_y), il prodotto vettoriale ha una sola componente (perpendicolare al piano):

L=x py−y pxL = x\,p_y - y\,p_x

Come per la quantità di moto e l’energia cinetica, il momento angolare dipende dalla scelta del polo O e del sistema di riferimento — ed è proprio questa dipendenza a rendere naturale la scomposizione del prossimo atomo.

Collegamenti

Argomenti: Centro di massa Concetti: Momento angolare · Quantità di moto

Esercizi collegati: Il tuffatore che ruota · Velocità e quantità di moto del CM · Trovare le masse dal CM

Angular momentum is to rotation what momentum is to translation: it measures “how much” a body is rotating about a point, taking into account both its momentum and how far it passes from the point.

Principle — Angular momentum

The angular momentum of a body about a point O is L⃗=r⃗×p⃗=r⃗×(m v⃗)\ev{\vec{L} = \vec{r} \times \vec{p} = \vec{r} \times (m\,\vec{v})}

The cross product r⃗×p⃗\vec{r} \times \vec{p} tells us that three things matter: the momentum p⃗\vec{p}, the distance rr from point O, and the angle between the two. A body moving straight towards point O (or straight away from it) has zero angular momentum about O, because r⃗\vec{r} and p⃗\vec{p} are parallel. Angular momentum is maximum when the motion is perpendicular to the radius, i.e. when the body “goes around” the point.

In two dimensions, with r⃗=(x,y)\vec{r} = (x, y) and p⃗=(px,py)\vec{p} = (p_x, p_y), the cross product has just one component (perpendicular to the plane):

L=x py−y pxL = x\,p_y - y\,p_x

Like momentum and kinetic energy, angular momentum depends on the choice of pole O and reference frame — and it is precisely this dependence that makes the decomposition in the next note natural.

Topics: Centre of mass Concepts: Angular momentum · Momentum

Related exercises: The rotating diver · Velocity and momentum of the CM · Finding the masses from the CM

Come l’energia cinetica, anche il momento angolare di un sistema di più corpi si scompone in un contributo “del CM” e uno “interno”.

Legge — Teorema di König per il momento angolare

L⃗tot=r⃗CM×p⃗tot⏟L⃗CM+∑ir⃗i′×miv⃗i′⏟L⃗int\ev{\vec{L}_{\text{tot}} = \underbrace{\vec{r}_{\text{CM}}\times\vec{p}_{\text{tot}}}_{\vec{L}_{\text{CM}}} + \underbrace{\sum_i \vec{r}_i'\times m_i\vec{v}_i'}_{\vec{L}_{\text{int}}}} dove r⃗i′=r⃗i−r⃗CM\vec{r}_i' = \vec{r}_i - \vec{r}_\text{CM} e v⃗i′=v⃗i−v⃗CM\vec{v}_i' = \vec{v}_i - \vec{v}_\text{CM} sono posizione e velocità di ciascun corpo relative al CM.

Le due parti hanno interpretazioni distinte. L⃗CM\vec{L}_\text{CM} (il momento angolare orbitale): geometricamente è il momento angolare di un punto materiale fittizio posto in r⃗CM\vec{r}_\text{CM} che trasporta tutta la massa MtotM_\text{tot} e tutta la quantità di moto p⃗tot\vec{p}_\text{tot}; praticamente, se il sistema non ruota attorno al proprio CM, tutto L⃗tot\vec{L}_\text{tot} si riduce a L⃗CM\vec{L}_\text{CM}.

L⃗int\vec{L}_\text{int} (il momento angolare di spin): geometricamente è “come ruotano le parti interne del sistema” attorno al CM — pensate a uno yo-yo in volo, il cui L⃗int\vec{L}_\text{int} è lo spin dello yo-yo. Per un corpo rigido che ruota con velocità angolare ω⃗\vec{\omega} attorno al proprio CM vale L⃗int=ICM ω⃗\vec{L}_\text{int} = I_\text{CM}\,\vec{\omega}, con ICMI_\text{CM} momento d’inerzia rispetto al CM.

Se il momento totale delle forze esterne è nullo, il momento angolare totale si conserva:

∑M⃗ext=0⃗  ⇒  L⃗tot=costante\sum\vec{M}_{\text{ext}} = \vec{0} \;\Rightarrow\; \vec{L}_{\text{tot}} = \text{costante}

Contesto — Il doppio momento angolare della Terra

La Terra possiede sia un momento angolare orbitale (L⃗CM\vec{L}_\text{CM}: il moto attorno al Sole) sia un momento angolare di spin (L⃗int\vec{L}_\text{int}: la rotazione attorno al proprio asse). Entrambi si conservano, il che spiega perché la Terra continua a ruotare: nessuna forza esterna significativa applica un momento frenante.

Esempio — Due palline in moto

m1=4  kgm_1 = 4\;\text{kg} in r⃗1=(−1,1)\vec{r}_1 = (-1, 1) con v⃗1=(0,3)  m/s\vec{v}_1 = (0, 3)\;\text{m/s}; m2=5  kgm_2 = 5\;\text{kg} in r⃗2=(2,−2)\vec{r}_2 = (2, -2) con v⃗2=(6cos⁡45∘,−6sin⁡45∘)=(4,24;  −4,24)\vec{v}_2 = (6\cos 45^\circ, -6\sin 45^\circ) = (4{,}24;\; -4{,}24).

Centro di massa: r⃗CM=4(−1,1)+5(2,−2)9=(6, −6)9=(0,67;  −0,67)\vec{r}_\text{CM} = \frac{4(-1,1) + 5(2,-2)}{9} = \frac{(6,\, -6)}{9} = (0{,}67;\; -0{,}67) v⃗CM=4(0,3)+5(4,24; −4,24)9=(21,2;  −9,2)9=(2,35;  −1,02)\vec{v}_\text{CM} = \frac{4(0,3) + 5(4{,}24;\,-4{,}24)}{9} = \frac{(21{,}2;\; -9{,}2)}{9} = (2{,}35;\; -1{,}02)

L⃗CM\vec{L}_\text{CM} rispetto all’origine (p⃗tot=Mtotv⃗CM=(21,2; −9,2)\vec{p}_\text{tot} = M_\text{tot}\vec{v}_\text{CM} = (21{,}2;\, -9{,}2)): LCM=xCM py−yCM px=0,67⋅(−9,2)−(−0,67)⋅21,2=−6,16+14,2=8,04L_\text{CM} = x_\text{CM}\,p_y - y_\text{CM}\,p_x = 0{,}67\cdot(-9{,}2) - (-0{,}67)\cdot 21{,}2 = -6{,}16 + 14{,}2 = 8{,}04

L⃗int\vec{L}_\text{int}: dalle velocità relative v⃗1′=(0,3)−(2,35; −1,02)=(−2,35; 4,02)\vec{v}_1' = (0,3) - (2{,}35;\,-1{,}02) = (-2{,}35;\, 4{,}02) e v⃗2′=(4,24; −4,24)−(2,35; −1,02)=(1,89; −3,22)\vec{v}_2' = (4{,}24;\,-4{,}24) - (2{,}35;\,-1{,}02) = (1{,}89;\, -3{,}22), e dalle posizioni relative, si calcolano i prodotti vettoriali r⃗i′×miv⃗i′\vec{r}_i'\times m_i\vec{v}_i' e se ne fa la somma.

Il centro di massa e il momento angolare sono gli strumenti che ci permettono di passare dalla meccanica del punto materiale alla meccanica dei corpi rigidi e dei sistemi rotanti, argomento del prossimo capitolo.

Collegamenti

Argomenti: Centro di massa Concetti: Momento angolare · Conservazione del momento angolare · Momento d’inerzia Competenze: Scelta del polo

Esercizi collegati: Il tuffatore che ruota · Problema — Momento angolare di rotazione propria della Terra · Problema — Ranking di ω a parità di momento angolare

Like kinetic energy, the angular momentum of a system of several bodies also decomposes into a “CM” contribution and an “internal” one.

Law — König's theorem for angular momentum

L⃗tot=r⃗CM×p⃗tot⏟L⃗CM+∑ir⃗i′×miv⃗i′⏟L⃗int\ev{\vec{L}_{\text{tot}} = \underbrace{\vec{r}_{\text{CM}}\times\vec{p}_{\text{tot}}}_{\vec{L}_{\text{CM}}} + \underbrace{\sum_i \vec{r}_i'\times m_i\vec{v}_i'}_{\vec{L}_{\text{int}}}} where r⃗i′=r⃗i−r⃗CM\vec{r}_i' = \vec{r}_i - \vec{r}_\text{CM} and v⃗i′=v⃗i−v⃗CM\vec{v}_i' = \vec{v}_i - \vec{v}_\text{CM} are the position and velocity of each body relative to the CM.

The two parts have distinct interpretations. L⃗CM\vec{L}_\text{CM} (the orbital angular momentum): geometrically it is the angular momentum of a fictitious point mass placed at r⃗CM\vec{r}_\text{CM} carrying the whole mass MtotM_\text{tot} and the whole momentum p⃗tot\vec{p}_\text{tot}; practically, if the system is not rotating about its own CM, the whole of L⃗tot\vec{L}_\text{tot} reduces to L⃗CM\vec{L}_\text{CM}.

L⃗int\vec{L}_\text{int} (the spin angular momentum): geometrically it is “how the system’s internal parts rotate” about the CM — think of a yo-yo in flight, whose L⃗int\vec{L}_\text{int} is the yo-yo’s spin. For a rigid body rotating with angular velocity ω⃗\vec{\omega} about its own CM, L⃗int=ICM ω⃗\vec{L}_\text{int} = I_\text{CM}\,\vec{\omega}, where ICMI_\text{CM} is the moment of inertia about the CM.

If the total moment of the external forces is zero, the total angular momentum is conserved:

∑M⃗ext=0⃗  ⇒  L⃗tot=constant\sum\vec{M}_{\text{ext}} = \vec{0} \;\Rightarrow\; \vec{L}_{\text{tot}} = \text{constant}

Context — Earth's dual angular momentum

The Earth possesses both an orbital angular momentum (L⃗CM\vec{L}_\text{CM}: motion around the Sun) and a spin angular momentum (L⃗int\vec{L}_\text{int}: rotation about its own axis). Both are conserved, which explains why the Earth keeps rotating: no significant external force applies a braking moment.

Example — Two balls in motion

m1=4  kgm_1 = 4\;\text{kg} at r⃗1=(−1,1)\vec{r}_1 = (-1, 1) with v⃗1=(0,3)  m/s\vec{v}_1 = (0, 3)\;\text{m/s}; m2=5  kgm_2 = 5\;\text{kg} at r⃗2=(2,−2)\vec{r}_2 = (2, -2) with v⃗2=(6cos⁡45∘,−6sin⁡45∘)=(4,24;  −4,24)\vec{v}_2 = (6\cos 45^\circ, -6\sin 45^\circ) = (4{,}24;\; -4{,}24).

Centre of mass: r⃗CM=4(−1,1)+5(2,−2)9=(6, −6)9=(0,67;  −0,67)\vec{r}_\text{CM} = \frac{4(-1,1) + 5(2,-2)}{9} = \frac{(6,\, -6)}{9} = (0{,}67;\; -0{,}67) v⃗CM=4(0,3)+5(4,24; −4,24)9=(21,2;  −9,2)9=(2,35;  −1,02)\vec{v}_\text{CM} = \frac{4(0,3) + 5(4{,}24;\,-4{,}24)}{9} = \frac{(21{,}2;\; -9{,}2)}{9} = (2{,}35;\; -1{,}02)

L⃗CM\vec{L}_\text{CM} about the origin (p⃗tot=Mtotv⃗CM=(21,2; −9,2)\vec{p}_\text{tot} = M_\text{tot}\vec{v}_\text{CM} = (21{,}2;\, -9{,}2)): LCM=xCM py−yCM px=0,67⋅(−9,2)−(−0,67)⋅21,2=−6,16+14,2=8,04L_\text{CM} = x_\text{CM}\,p_y - y_\text{CM}\,p_x = 0{,}67\cdot(-9{,}2) - (-0{,}67)\cdot 21{,}2 = -6{,}16 + 14{,}2 = 8{,}04

L⃗int\vec{L}_\text{int}: from the relative velocities v⃗1′=(0,3)−(2,35; −1,02)=(−2,35; 4,02)\vec{v}_1' = (0,3) - (2{,}35;\,-1{,}02) = (-2{,}35;\, 4{,}02) and v⃗2′=(4,24; −4,24)−(2,35; −1,02)=(1,89; −3,22)\vec{v}_2' = (4{,}24;\,-4{,}24) - (2{,}35;\,-1{,}02) = (1{,}89;\, -3{,}22), and from the relative positions, you compute the cross products r⃗i′×miv⃗i′\vec{r}_i'\times m_i\vec{v}_i' and sum them.

The centre of mass and angular momentum are the tools that let us pass from point-mass mechanics to the mechanics of rigid bodies and rotating systems, the subject of the next chapter.

Topics: Centre of mass Concepts: Angular momentum · Conservation of angular momentum · Moment of inertia Skills: Choice of pole

Related exercises: The rotating diver · Problem — Angular momentum of the Earth’s own rotation · Problem — Ranking ω for equal angular momentum

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