03/11/2009 La conservazione dell’energia Leggi della dinamica Rotazione Punti di applicazione Diversi Ttot = Iω Traslazione Unico punto di applicazione Ftot = ma •Il lavoro delle forze •L’energia cinetica •L’energia potenziale per forze “conservative” •La conservazione dell’energia totale in assenza di attriti Statica Leve Ftot = 0 Equilibrio traslazionale •La conservazione dell’energia in presenza di attriti: il calore. Ttot = 0 Equilibrio rotazionale 1 Il lavoro di una forza Fm 0 Peso 2 Lavoro: forza e spostamento La forza peso comprime la molla che si deforma di x cm. La forza con cui la molla si oppone alla compressione È pari a Fm = - K x Tutte le volte che la forza applicata induce uno spostamento diciamo che la forza ha compiuto un lavoro sul sistema a cui è applicata Perché questa definizione? Attenzione: la deformazione cresce nel tempo Lavoro Æ effetto x La compressione smette quando si giunge all’equilibrio fra Fm e il Peso: Fm + Peso = 0 Kx = Peso spostamento deformazione x = Peso/K La forza peso e la forza elastica della molla hanno compiuto un lavoro? 3 4 1 03/11/2009 v Il lavoro di una forza Fm Fm Quindi: Che si trasforma in un corpo in movimento •Compressione della molla: deformazione della molla •Il sistema si ferma all’equilibrio fra peso e forza elastica •Il sistema ha acquisito la capacità di compiere altro lavoro: Peso Peso abbiamo bbi ““caricato” i t ” lla molla ll abbiamo fornito energia alla molla Il sistema in seguito alla deformazione della molla acquisisce una “capacità” (chiamiamola energia) Può compiere a sua volta un lavoro mettendo in moto un corpo 5 Ma il peso che aveva capacità di fare lavoro sulla molla all’inizio (molla estesa) perde questa capacità quando scende comprimendo la molla. Quindi: perchè la forza F compia lavoro, è essenziale che ci sia uno spostamento 6 del punto di applicazione della forza. F Tutta l’ampiezza della forza Va in moto del carrello La forza peso durante la compressione lenta Eguaglia la forza della molla che cresce: Lavoro = P * Spostamento 0 S P Lavoro = P * Spostamento Per la scelta del sistema di coordinate Tutta l’ampiezza della forza Viene bilanciata dalla reazione dei binari F x Joule (J) è l’unità di misura del lavoro Corrisponde al lavoro fatto da una forza di 1 N che induce uno spostamento di 1 m Solo la componente parallela della forza Induce moto F|| F Consideriamo SOLO la componente della forza parallela allo spostamento: Perché? F⊥ 7 l’ampiezza della forza perpendicolare al moto Viene bilanciata dalla reazione dei binari 8 2 03/11/2009 Ruolo della dissipazione Approfondimento facoltativo La forza peso durante la compressione lenta Eguaglia la forza della molla che cresce: Se il peso passa da 0 a P, abbiamo una deformazione rapida della molla: Questo implica la presenza di dissipazione in termini di calore dissipato dalla molla Lavoro = F * Spostamento Prodotto scalare 0 S Lavoro = P * Spostamento = P x F P = kx k x Se non voglio avere dissipazione devo fare cambiamenti che implichino Velocità molto basse. Per la scelta del sistema di coordinate Posso farlo pensando che istante per istante il peso aumenti in modo da essere sempre bilanciato con la forza elastica della molla, che nel processo di compressione cresce: Lpeso = kx2 Esempio: P = 100 N; x = 10 cm Lavoro = 100 N x 0.1 m= 10 Nm = 10 J Attenzione: il lavoro della molla? Felastica 0 Esattamente uguale e contrario a quello fatto sulla molla. 9 10 Approfondimento facoltativo La forza elastica non è costante durante la compressione: F = - kx Istante per istante Allora il lavoro fatto dal peso sarà kx2/2 In realta’ si può calcolare più esattamente che L = kx2/2 Lmolla = -kx2/2 Approfondimento facoltativo P(x) = - kx (è diretta in verso contrario allo spostamento) Possiamo generalizzare la definizione: Risultato generale: Lavoro = F1S1 + F2 S2 + F3 S3 + …… Lavoro = Area del grafico Forza - spostamento Lavoro = F x Spostamento S = deformazione F F S1 S2 x1 Come facciamo a calcolare il lavoro? F1=-kx1 x x2 x x F2=-kx2 x F=-kx Possiamo generalizzare la definizione: Lavoro = F1S1 + F2 S2 + F3 S3 + …… Lavoromolla = 11 − kx 2 2 Compressione !!! 12 3 03/11/2009 La molla viene deformata a discapito del lavoro della forza peso. Il lavoro di compressione della molla è calcolabile e risulta in realtà Pari alla metà di quanto calcolato in base al peso che comprime la molla: Il lavoro fatto sulla molla è disponibile per: generare moto (v) o ulteriore deformazione. Lavoromolla = − kx 2 2 Compressione !!! Lavoro negativo : compressione Quale legame c’è fra il lavoro e la velocità impartita?? E in generale tutte le volte in cui gli spostamenti sono in verso opposto alle forze (molla) N.B. Chi ha compiuto questo lavoro per deformare la molla? La forza PESO F=ma È una relazione fra la forza impartita e l’accelerazione LPeso = kx2/2 13 14 Esempio: supponiamo di spingere su un piano orizzontale un oggetto con una forza F diretta lungo il piano. Spazio percorso = s = Velocità = v = at a 2 t 2 Energia cinetica Questo appena visto è un risultato generale: v t= a Lavoro fatto dalle forze = variazione dell’energia cinetica F K = mv2/2 s= a v2 v2 = 2 a 2 2a L = Kfin - Kin v2 v2 Lavoro = F * s = ma * s = ma * =m 2 2a Stato finale 15 Unità di K: Kg* m2/s2 = (Kg * m/s2)*m = N*m = J Stato iniziale 16 4 03/11/2009 esempio K = 10 N/m esempio Serve 1 N per deformare la molla di 10 cm 0 x Deformiamo la molla di x = 10cm 0 x F Ora la molla è carica di energia e può compiere lavoro generando a sua volta energia cinetica secondo la relazione: x = deformazione L = Kfin – Kin=0.05J x = deformazione Ovvero: Lavoro fatto contro la molla = Kx2/2 = 10 * 0.01/2 = 0.05 J v 2 Un corpo di massa 100g viene lanciato dalla molla con v tale che: Ora la molla è in grado di compiere un lavoro uguale e contrario espandendosi N.B. la forza elastica della molla ha compiuto un lavoro uguale e contrario. Kx2/2 = Kfin= m 2 fin mv2/2 = 0.05 J v = 0.05 * 2 / m = 0.05 * 2 / 0.1 = 1m / s 17 18 Esempio: piano inclinato Energia cinetica Il lavoro…….. P|| = (h/D) P = (h/D) mg Assenza di attrito h molto piccolo Il corpo “sparato” dalla molla urta contro un materiale e lo deforma o mette in moto per urto un secondo corpo, etc., etc… P P|| P S h Definiamo Energia Cinetica la quantità K=mv2/2 P|| D D h Lavoro delle forze = Kfin - Kin D z K alla fine del movimento K all’inizio del movimento Il cubo scivola: il suo peso compie il lavoro 19 P|| S ≅ P|| D Lavoro gravitazionale (discesa!) = mgh = h mgD = mgh D 20 5 03/11/2009 Assenza di attrito Ora l’energia cinetica…. Assenza di attrito Possiamo dire qual è la velocità finale? h molto piccolo h molto piccolo h L = mgD = mgh D P|| D≅S L= P|| h mgD = mgh D S S D≅S Kfin = L v2 = 2gh h h D D z z Il cubo parte da fermo Kin = 0 Kfin = L mv2/2 mv2/2 = mgh h = 10 cm v2 = 2gh v = 2 gh = 20 * 0.1 = 1.4m / s Indipendente dalla massa!! 21 22 Condizioni iniziali: Inizialmente fermo In cima, fermo. Il segno del lavoro Lo sciatore che scende lungo un pendio di dislivello H arriverebbe a valle con una velocità LFext = Fext s > 0 v = 2 gH LPeso = − mgh < 0 S Indipendentemente dal percorso! h Fext P|| h = 100 m D v = 2 gH = 20 *100 ≅ 45m / s ≅ 150km / h Se il moto è molto lento….non c’è attrito (o molto poco) e LF = - Lpeso Il corpo sale contro la forza peso a discapito di qualche altro lavoro (muscolare) Per fortuna c’è un po’ di attrito!! 23 24 6 03/11/2009 Condizioni iniziali: Inizialmente fermo In cima, fermo. Il segno del lavoro Energia cinetica, lavoro e attrito LFext = Fext S > 0 LPeso = − mgh < 0 K = mv2/2 Lavoro forze di attrito Sempre negativo S L + La = Kfin - Kin h Fext Stato finale P|| Stato iniziale D Se il moto non è lento…. c’è attrito e la forza di attrito compie lavoro Kfin = Kin+L+La < Kin+L LF = - Lpeso + La La = -Fa * S sempre negativo Il corpo sale contro la forza peso e l’attrito a discapito di qualche altro lavoro (muscolare) e generando calore sul piano Le forze di attrito limitano la conversione di lavoro meccanico in energia cinetica. 25 Energia potenziale 26 Scelta di convenienza… UN ESEMPIO: la forza gravitazionale L = mgh 0 xin h P xfin x Scegliamo di suddividere le forze che possono agire su un sistema in: L = mg (xfin – xin) = mgxfin – mgxin = -Ufin + Uin= -(Ufin-Uin) = - ∆U U = -mgx 1. Forze gravitazionali 2 Forze 2. F di attrito i è detta energia potenziale gravitazionale 3. Tutte le altre forze che agiscono sul sistema Quella forma di energia che un corpo ha per il fatto si essere in una determinata posizione (raggiunta con un certo spostamento….) Il lavoro fatto da TUTTE le forze serve a modificare l’energia cinetica del sistema Forze per cui L = - ∆U sono dette forze conservative 27 28 7 03/11/2009 Forze di attrito Lg = - ∆Ug = mg(xfin-xin) Esempio: caduta di un corpo Energia Cinetica … in caduta…. Kin = 0 Lavoro delle forze = Lg + La = Kfin – Kin Peso Viene fatto dal peso un lavoro positivo h Forze conservative sono quelle per cui il lavoro fatto NON dipende dal percorso x0 LPeso = mgh > 0 e si trasforma in Energia cinetica In teoria….. Non si compie lavoro: K fin = Si guadagna lavoro nella prima meta’ del Percorso (L>0) e si compie lavoro nella seconda metà (L<0) … h x1 mv 2 = LPeso 2 x 29 30 Esempio: sollevamento di un corpo Esempio: la ruota del lunapark Cabina di massa m … in salita….soggetto anche a una forza F verso l’alto è mgh nel tragitto in discesa Mentre è –mgh nel tragitto in salita, ma !!!! Ltot = LF + LPeso = Fh − mgh ≥ 0 Viene fatto dal peso un lavoro negativo e dalla forza F un lavoro positivo positivo. h F Il lavoro di F in eccesso rispetto a quello del peso si trasforma in Energia cinetica Kin = 0 Il lavoro fatto dalle forze gravitazionali Kin = 0 h Le forze di attrito del p perno della ruota agiscono sempre in modo da fare un lavoro negativo: Lavoro delle forze = Lg + La = Kfin Peso K fin = mv 2 = LF+LPeso 2 31 • A ogni giro il lavoro totale della gravitazione è nullo: Lg = 0 Kfin < 0 ??? • La <0 • ∆K = Kfin <0 32 8 03/11/2009 Analizziamo mezzo giro: Analizziamo mezzo giro, con attrito grande: Cabina di massa m, v=vi Cabina di massa m, v=vi Il lavoro fatto dalle forze gravitazionali Lavoro delle forze = mgh - |La| = Kfin è mgh nel tragitto in discesa Mentre le forze di attrito fanno lavoro negativo Kin = 0 h Kin = 0 Paragonabile a mgh h SE mgh - |La| = 0.1 mgh: Lavoro delle forze = Lg + La = Kfin Kfin = 0.1 mgh Lavoro delle forze = mgh - |La| = Kfin Kfin = mgh - |La| Modulo di L=|L| è Il valore con segno positivo vfin E in salita???? Se l’attrito è piccolo, mgh – |La| > 0 Anche se non ci fosse attrito… Lavoro delle forze = - mgh = 0 – Kfin = -0.1 mgh 33 Non arriva in cima!!!! Lavoro delle forze = Lg + La + Lext = Kfin – Kin Esempio con il pendolo Se non c’e’ attrito e non ci sono altre forze oltre alla gravitazione…………. t = 0s 0 v = v0 = 0 x = x0 L = mg (xfin – xin) = -Ufin + Uin L = mgh 0 x0 Uin – Ufin = Kfin – Kin Uin + Kin = Ufin + Kfin x U0 = mgx0 x xin xfin 34 K0 = m v02 =0 2 Emec = U0 +0 = U0 Emec = U + K = costante 35 36 9 03/11/2009 Esempio con il pendolo Esempio con il pendolo t = T/4 0 v = v1 > 0 x = x1 < x0 x0 h Un quarto di periodo v2 K1 = m 1 2 x Valore iniziale di Emec U U0 U1 6 v22 =0 2 Emec = U2 = U0 4 2 0 37 K2 = m 8 energia [J] Da cui: Mezzo periodo U2 = mgx2 = U0 x Emec = U1 +K1 = U0 v2 m 1 = mgh 2 v1 = 2 gh v = v2 = 0 x = x2= x0 x2 U1 = mgx1 v1 x1 t = T/2 0 K Senza attrito 0 200 400 600 38 tempo (s) Lavoro e calore Esempio con il pendolo LF = Fs > 0 LPeso = − mgh < 0 0 0 LA = − µD mgS < 0 h x2 U2 = mgx g 2 = U0 x1 S Fext x x U0 7 energia [J] D U1 6 5 4 La forza di attrito compie lavoro negativo Kin = Kfin =0 Lf = ∆Emec = ∆U + ∆K <0 3 LF = ∆Ug - LA+∆K = ∆Ug – LA = ∆Ug + Q 2 1 0 P|| FA=µDP⊥S Con attrito 0 200 400 600 39 Calore(>0) fornito al cubo 40 tempo (s) 10 03/11/2009 Lavoro e calore Lavoro muscolare LF = Fs > 0 F = forza muscolare LPeso = − mgh < 0 LA = − µD mgS < 0 ∆Uk = kx2/2 F = forza muscolare h 0 S Lm + LF = ∆Uk + ∆K S Fext P|| FA=µDP⊥S D •attrito sul piano (LA), •lavoro (chimico-elettrico) nel nostro muscolo, LF •e “attrito interno” nel muscolo, Lm < 0 La + Lmuscolo + Lm + LF = ∆Ug Q=-LA-Lm>0 x LF = lavoro muscolare (elettrico, chimico) Lm = lavoro contro le forze di attrito interno del muscolo < 0 LF = ∆Uk + ∆K –Lm = ∆Uk + ∆K + Q Lmuscolo + LF = ∆Ug +Q 41 -2mgx+kx2 + Q=0 N.B. se F = mg, allora LF=-mgx x = 2mg/k-Q 42 gravitazionali Forze A T T R I T O elastiche S P O altre…. Elettromagnetiche, nucleari, etc.. S T A M E Il LAVORO induce una Lavoro = Forza * Spostamento VARIAZIONE di ENERGIA N T O Leggi della dinamica Traslazione Unico punto di applicazione Ftot = ma Rotazione Punti di applicazione Diversi Ttot = Iω Cinetica ENERGIA Potenziale: gravitazionale, elastica, etc… Leggi di conservazione Conservazione dell’energia Conservazione della Quantità di moto p = mv CALORE 43 44 11 03/11/2009 Leggi di conservazione in Fisica Ftot = F1 + F2 +…= ma Ftot = m Leggi di conservazione in Fisica (v2 − v1 ) (t2 − t1 ) Ftot = equilibrio Ftot = Ftot = 0 ( mv2 − mv1 ) =0 (t2 − t1 ) Se un corpo non è soggetto a forze (o le forze si equilibrano) : Ftot =0 ( mv2 − mv1 ) =0 (t2 − t1 ) ( mv2 − mv1 ) (t2 − t1 ) mv2 − mv1 = 0 F1 F2 mv è detta quantità di moto mv2 = mv1 È un vettore !!!! Perché la velocità è un vettore 45 46 Conservazione della quantità di moto per un sistema di corpi Conservazione della quantità di moto Quantità di moto = p = mv 3 1 v 2 Quantità di moto totale = p1 + p2 + p3…. m Per un SISTEMA di CORPI non soggetto a forze ESTERNE o per cui le forze si equilibrano: v p=mv La quantità di moto totale è costante p = m V = costante m1 v1 v2 m2 P = m1 V1 + m2 V2 v1 m1 m2 v2 È costante 47 PRIMA DOPO 48 12 03/11/2009 Per un SISTEMA di CORPI che urtano senza deformarsi si conserva l’energia cinetica: 3 1 v 2 L’energia cinetica si conserva in un urto elastico: m2 m1 m1 v1 v2 PRIMA m2 v2 v2 K = m1 1 + m2 2 2 2 È costante v1 m1 m2 v2 DOPO Quindi Æ ptot = costante Ktot = costante in un urto “elastico” 49 50 Ptotprima = m1u m2 Ptotprima = Ptotdopo Ptotdopo = m1v1 + m2 v2 Conservazione della quantita’ di moto m1 Conservazione dell’energia cinetica K totprima = m1 51 u2 2 dopo = m1 K tot v12 v2 + m2 2 2 2 dopo K totprima = K tot 52 13 03/11/2009 m1u = m1v1 + m2 v2 v1 = u − m2 v2 m1 v2 = u2 v2 v2 m1 = m1 1 + m2 2 2 2 2 v1 = 2 m m1u 2 = m1 u − 2 v2 + m2 v22 m 1 m 2um2 v2 = + m2 v22 1 + 2 m1 v2 = v1 = v2 = 2u Se m1 >> m2 m1 − m2 u m2 + m1 u è la velocità della massa m1 prima dell’urto. 2u m2 1 + m1 m2 − m1 u m2 + m1 2u m2 1 + m1 v1 = u v2 = u Se m1 = m2 v1 = 0 v2 = 0 Se m1 << m2 v1 = -u 53 54 Ftot = 0 Questo è vero anche se alcune forze INTERNE AL SISTEMA agiscono: 1 v2 v1 2 1. La forza peso degli oggetti che è bilanciata esattamente dal piano. 2. Le forze legate al contatto dei corpi, ovvero al vero e proprio urto. F12 = -F21 Trascuriamo invece, nell’esempio, l’attrito. F21 1 Ftot = F12 + F21 = 0 2 F12 Ftot = 0 v1 Sistema di due corpi che urtano 55 1 2 v2 56 14 03/11/2009 Esempio sulla conservazione della quantità di moto. v2 = u Se m1 = m2 Anche se ci sono forze INTERNE al sistema di corpi v1 = 0 la quantità di moto totale del sistema rimane invariata. F12 = -F21 Infatti In ogni istante Ftot = 0 Sistema di due corpi che urtano v1 > 0 v1=0 57 Esempio sulla conservazione della quantità di moto. v1 = 0 v2 = 0 v1 = 0 v2=0 v2 = 0 58 v2 > 0 Esempio sulla conservazione della quantità di moto. v2 = 2u Se m1 >> m2 v2 = 0 Se m1 << m2 m1 << v1 = -u v1 = -u m2 m1 Al crescere della massa m2, la sfera pesante tende a rimanere ferma. >> m2 Al crescere della massa m2, la sfera pesante tende a rimanere ferma. 59 60 15 03/11/2009 Esempio sulla conservazione della quantità di moto. Esempio sulla conservazione della quantità di moto. Il cannone spara mentre e’ sul vagone: applica una forza sul proiettile e subisce una forza (il “rinculo”) uguale e contraria che trasmette al vagone che va nel verso opposto al proiettile Fcannone Il cannone spara mentre e’ sul vagone: applica una forza sul proiettile e subisce una forza (il “rinculo”) uguale e contraria che trasmette al vagone che va nel verso opposto al proiettile Fproiettile Fvagone Il vagone dopo il colpo si muove di moto rettilineo uniforme in direzione Opposta al colpo sparato. Il vagone dopo il colpo si muove di moto rettilineo uniforme in direzione Opposta al colpo sparato. 61 62 Esempio sulla conservazione della quantità di moto. Il cannone spara mentre e’ sul vagone: applica una forza sul proiettile e subisce una forza (il “rinculo”) uguale e contraria che trasmette al vagone che va nel verso opposto al proiettile Esempio: quantità di moto (ppalla + pmuro )prima = (ppalla + pmuro )dopo p = m V = costante ppi + pmi = ppo + pmo pmi = 0 inizialmente il muro è fermo Ma vi è stato uno Spostamento p netto Del centro di massa di Tutto il sistema Quando il proiettile colpisce la parete del vagone e ci si conficca applica una Forza al vagone che lo fa fermare: in questo modo la quantità di moto Non è variata, ovvero rimane NULLA. Muro: Massa molto grande ppi=mvi pmuro ppi = ppo + pmo 63 ppo=mvo 64 16 03/11/2009 Autotest 2. Esempio: quantità di moto ppi = ppo + pmo 1. Un corpo di massa M= 500 g è posto a un’altezza di 10 m da terra. - Quanto vale la sua energia potenziale? - Se cade a terra con quale velocità arriverà a toccare il suolo? Visto dall’alto 2. Una molla di costante elastica k=0.1 N/m viene compressa di 10 cm. - quanto vale la sua energia potenziale elastica? - se viene rilasciata a quale velocità si trova la sua estremità quando si è riespansa fino alla condizione di equilibrio? x pix pox 3. Applichiamo una forza di 50 N a un corpo di massa M=2 Kg per 10 ms. quanto vale la sua velocità dopo questa interazione? piy poy 4. L’equipaggio di un pendolo semplice viene sollevato in modo da essere a 10 cm da terra e pi lasciato. Quanto vale la velocità dell’equipaggio quando passa per il punto di minore altezza rispetto al terreno? y ppi,x = ppo,x + pmo,x piy = -poy ppi,y = ppo,y + pmo,y 65 66 17