La Catenaria

(note a cura di Roberto Bigoni)


catenaria

Data una fune sottile, inestensibile e perfettamente flessibile, appesa ai punti A e B, in condizione di equilibrio nel campo costante terrestre g, tale fune assume una configurazione descrivibile con una curva piana detta catenaria.

Per dedurre analiticamente l'equazione di tale curva, si scelga un sistema di riferimento cartesiano ortogonale avente origine nel punto medio di AB, asse delle ascisse orizzontale e asse delle ordinate verticale.

Si consideri un punto P sull'arco VP. Sull'elemento puntiforme di fune in posizione P, di lunghezza dl e massa dm, agiscono due forze:

La condizione di equilibrio del punto P è dovuta al fatto che la somma delle componenti tangenziali di t e p è equilibrata dalla reazione vincolare della fune, mentre le componenti di p e t perpendicolari alla tangente si equilibrano a vicenda e quindi i loro moduli sono uguali.

Detto θ l'angolo che la tangente al punto P forma con l'asse delle ascisse, si avrà

Eqn1.gif

Eqn2.gif

Detta y(x) l'equazione della curva che descrive la disposizione della fune nel sistema di riferimento scelto e dette x e y le coordinate cartesiane del generico punto P in tale sistema, la tg θ è data dalla derivata della y(x):

Eqn3.gif

Il peso p è dovuto al peso del tratto VP della fune.

Dette v l'ascissa del vertice, λ la densità lineare della fune e g il modulo dell'accelerazione di gravità, il modulo del peso p è dato da

Eqn4.gif

e quindi

Eqn5.gif

Derivando entrambi i membri della (5)

Eqn6.gif

E quindi

Eqn7.gif

Posto

Eqn8.gif

l'equazione differenziale (7), ammette come soluzione

Eqn9.gif

Il simbolo cosh denota il coseno iperbolico

Note le coordinate a e b di B (e quindi le coordinate di A, simmetrico di B rispetto all'origine O) e la lunghezza L della fune (che ovviamente deve essere maggiore di AB), si ha

Eqn10.gif

Eqn11.gif

Dalla (10) si ottiene

Eqn12.gif

e dalla (11)

Eqn13.gif

Dividendo membro a membro la (12) per la (13)

Eqn14.gif

E la funzione (9) può essere espressa

Eqn15.gif

Dalla (14) si desume inoltre

Eqn16.gif

Sostituendo la (16) nella (12) si ottiene

Eqn17.gif

Noti a, b e L, l'equazione (17) permette di determinare il valore di k (diverso dalla soluzione banale 0!).

Poiché y(a)=b, dalla (15) si ha

Eqn18.gif

Azzerando la derivata della y(x) nella (15)

Eqn19.gif

L'ascissa v del vertice V risulta

Eqn20.gif

L'ordinata di V risulta quindi

Eqn21.gif

Il modulo T della tensione cui è sottoposto un elemento di fune di ascissa x può essere dedotta applicando il teorema di Pitagora ai moduli dei vettori p e t. Dalle (8), (3) e (9) si ha

Eqn23.gif

Quindi

Eqn24.gif

Eqn25.gif

 

 


ultima revisione: maggio 2018