Unità D9 - Energia e lavoro
1. Il lavoro
2. La potenza
3. L’energia cinetica
4. L’energia potenziale
5. Il trasferimento di energia
Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010
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Lezione 1 - Il lavoro
Una forza compie lavoro quando
sposta il suo punto di
applicazione; più forze applicate
allo stesso corpo compiono lavoro
in modo indipendente l’una
dall’altra
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Lezione 1 - Il lavoro
Una forza compie lavoro se
produce uno spostamento.
Se forza F e spostamento s sono
vettori paralleli, il lavoro L è il
prodotto dei loro moduli:
Se forza e spostamento non sono
paralleli, si considera solamente la
componente della forza parallela
allo spostamento:
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Lezione 1 - Il lavoro
Nel SI il lavoro si misura in joule (J):
Se l’angolo tra forza e spostamento è α:
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Lezione 1 - Il lavoro
Valore e segno del lavoro L dipendono dall’angolo α tra la
forza F e lo spostamento s.
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Lezione 1 - Il lavoro
Su un corpo agiscono più forze; il lavoro totale è:
-
la somma algebrica dei lavori delle
singole forze che agiscono
oppure, in modo equivalente
-
il lavoro compiuto dalla risultante di
tutte le forze applicate
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Lezione 1 - Il lavoro
In un grafico forza-spostamento, l’area al di sotto del grafico
rappresenta il lavoro compiuto dalla forza.
Questo permette di
calcolare il lavoro di
forze variabili con lo
spostamento, come la
Forza elastica
Il lavoro compiuto tra le
posizioni 0 e s è uguale
all’area colorata.
Per la forza elastica:
forza elastica:
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Lezione 2 - La potenza
La potenza è il lavoro compiuto da
una forza nell’unità di tempo;
la potenza è una proprietà delle
macchine
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Lezione 2 - La potenza
La potenza è il rapporto fra il lavoro compiuto e
l’intervallo di tempo impiegato per compierlo:
Nel SI la potenza si misura in watt (W):
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La Potenza Elettrica [W]
Potenza = Tensione x Corrente
In formule si Ha:
Cioè :
P = VI [W]
1[watt] = 1[volt] x 1[amper]
Nel caso di un resistore inoltre dalla legge di Ohm si ottiene:
P RI
2
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V
P
R
2
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Lezione 2 - La potenza
Multipli del watt
La potenza è un dato
caratteristico delle
apparecchiature
elettriche.
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Lezione 2 - La potenza
Un corpo è soggetto a una forza F e si muove a velocità costante.
(F compensa le altre forze che si oppongono al moto, come gli attriti).
La potenza che deve essere fornita in questo caso è il
prodotto della forza per la velocità:
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Lezione 2 - La potenza
Il rendimento di una macchina è il rapporto tra potenza utile e
potenza assorbita; è sempre inferiore a 1
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Lezione 3 - L’energia cinetica
L’energia cinetica è associata al
movimento di un corpo;
essa varia quando sul corpo viene
fatto un lavoro
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Lezione 3 - L’energia cinetica
Energia: capacità di compiere lavoro
Un corpo in movimento ha la
capacità di compiere lavoro
(per esempio comprimendo una molla)
Energia cinetica: energia
posseduta da un corpo in
movimento.
Dipende dalla massa e dalla velocità
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Lezione 3 - L’energia cinetica
L’energia cinetica Ec di un corpo è il semiprodotto della
massa per il quadrato della velocità.
Nel SI l’unità di misura dell’energia cinetica è il joule (J).
-Lavoro e energia cinetica hanno la stessa unità di misura:
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Lezione 3 - L’energia cinetica
Forza applicata a un corpo: l’energia cinetica può variare
a) Una forza parallela alla
velocità fa variare l’energia
cinetica (moto di caduta)
b) Una forza perpendicolare
alla velocità modifica la
traiettoria ma lascia
invariata l’energia cinetica
(moto circolare uniforme)
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Lezione 3 - L’energia cinetica
a) Una forza che forma un angolo α
rispetto alla velocità può essere
scomposta in due componenti:
parallela alla velocità, fa variare
l’energia cinetica
perpendicolare alla velocità,
modifica la traiettoria ma lascia
invariata l’energia cinetica
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Lezione 3 - L’energia cinetica
Teorema dell’energia cinetica
Il lavoro compiuto da una forza su un corpo è uguale alla
variazione di energia cinetica del corpo stesso.
vi è la velocità iniziale del corpo, prima che inizi l’azione della forza,
vf è la velocità finale, quando questa azione è terminata.
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Lezione 4 - L’energia potenziale
L’energia potenziale gravitazionale
è associata alla posizione di un
corpo rispetto alla Terra; l’energia
potenziale elastica è associata alla
deformazione dei corpi elastici
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Lezione 4 - L’energia potenziale
Un corpo fermo può avere la capacità di compiere lavoro:
-per esempio può avere energia potenziale gravitazionale (a) o
energia potenziale elastica (b)
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Lezione 4 - L’energia potenziale
Energia potenziale gravitazionale di un corpo: lavoro che la forza di
gravità può compiere facendolo cadere sul piano di riferimento.
Se l’oggetto ha massa m e si trova a una quota h:
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Lgravità = m·g·h
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Lezione 4 - L’energia potenziale
L’energia potenziale gravitazionale è una proprietà non del solo
oggetto, ma del sistema Terra + oggetto.
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Lezione 4 - L’energia potenziale
La forza peso è una forza conservativa
Per fare salire (a velocità costante) un corpo
su un piano inclinato senza attrito si applica
una forza F che compie il lavoro L = P·h.
Il corpo acquista l’energia potenziale Ep = P·h.
Cadendo sotto l’azione del peso il corpo può
restituire il lavoro speso per sollevarlo: Ep = L.
Il lavoro compiuto dalla forza peso dipende solo
dalla differenza di quota h, e non dal percorso.
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Lezione 4 - L’energia potenziale
La forza d’attrito è una forza dissipativa
In presenza di una forza di attrito Fa il lavoro per
spostare il corpo a quota h è:
L = F·l = P·h + Fa·l > P·h.
Il corpo acquista l’energia potenziale Ep = P·h.
Cadendo il corpo non può restituire tutto il
lavoro speso per sollevarlo: Ep < L.
Il lavoro compiuto dalla forza d’attrito dipende dal
percorso seguito.
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Lezione 4 - L’energia potenziale
Energia potenziale elastica Ee di una molla compressa di un tratto s:
lavoro che la molla può compiere tornando alla posizione di equilibrio.
La forza elastica è una forza conservativa
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Lezione 5 - I trasferimenti di
energia
L’energia si può trasferire da un
sistema a un altro in modi diversi;
nel trasferimento ci possono
essere delle perdite di energia
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Lezione 5 - I trasferimenti di
energia
L’energia si può trasformare
Quando un corpo cade, la sua
energia potenziale si trasforma
in energia cinetica.
L’energia si può trasferire
L’atleta, quando lancia il
giavellotto, gli trasferisce
energia per lavoro meccanico.
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Lezione 5 - I trasferimenti di
energia
L’energia si può trasferire per lavoro
elettrico
La pila, utilizzando la propria energia
chimica, compie un lavoro elettrico
sui portatori di cariche elettriche del
circuito di collegamento.
Questo lavoro elettrico consente al
motorino di sollevare il peso.
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Lezione 5 - I trasferimenti di
energia
L’energia può essere trasferita per calore
Quando si accende il fuoco, l’energia chimica
liberata nella combustione si trasferisce sotto
forma di calore alla griglia, aumentandone la
temperatura.
La trasmissione di energia tra corpi caldi
avviene anche a distanza (e nel vuoto,
come per le stelle), per irraggiamento di
onde elettromagnetiche
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Lezione 5 - I trasferimenti di
energia
La radiazione
solare può essere
assorbita e poi
trasformata da
organismi viventi o
da dispositivi
convertitori di
energia
Un convertitore di energia è caratterizzato da un rendimento:
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Unità D9 - Energia e lavoro
Potenza
Potenza
Teorema
Teorema
dell’energia
dell’energia cinetica
cinetica
Energia
Energia
cinetica
cinetica
Trasferimenti
Trasferimenti
di
di energia
energia
Lavoro
Lavoro
Energia
Energia
potenziale
potenziale
Forze
Forze
conservative
conservative
Lavoro
Lavoro di
di una
una
forza
forza costante
costante
Lavoro
Lavoro di
di una
una
forza
forza variabile
variabile
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Energia
Energia potenziale
potenziale
gravitazionale
gravitazionale
Energia
Energia potenziale
potenziale
elastica
elastica
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