Capitolo 7 Lavoro ed energia saperi essenziali 7.1 Lavoro Comunemente si definisce lavoro un attività umana rivolta alla produzione di un bene, in fisica la cosa è un po’ diversa. Un uomo che sposta un libro da uno scaffale basso ad uno più alto e una donna che porta una carriola (fig. 2) compiono lavoro in entrambi i casi mente un uomo che sta seduto davanti ad un computer (fig. 1) non compie alcun lavoro in fisica. In fisica compiamo lavoro solo se c’è una forza e uno spostamento con in figura 2 . Una forza che agisce su un corpo compie lavoro quando subisce uno spostamento. 7.2 Lavoro di una forza La donna che porta una carriola è un esempio di forza che subisce uno spostamento. Il lavoro fatto dalla forza F sulla massa m è dato dal prodotto della forza F per lo spostamento s (fig.3). 7.1 L = F x s 7.3 Lavoro delle forze di attrito Quando lanciamo un corpo con velocità v esso tende a fermarsi, questo avviene a causa della forza di attrito (fig. 4) che agiscono durante tutto lo spostamento e fanno un lavoro negativo. 7.4 Il Joule Il lavoro è una grandezza e come tutte le grandezze ha una sua unità di misura. L’unità di misura del lavoro è il Joule dal nome del fisico Joule. Il Joule è il lavoro compiuto da una forza di 1 Newton (N) quando sposta il suo punto di applicazione di 1 metro (m). 7.5 lavori uguali in tempi diversi la potenza Una macchina compie il lavoro di 100 j il 2 ore, un’altra lo compie in un’ora, questo avviene perché le due macchine hanno una potenza diversa. Si chiama potenza una grandezza data dal rapporto fra il lavoro di una macchina e il tempo impiegato a compierlo. Fig. 4 7.6 Il Watt L’unità di misura della potenza è stata dedicata a James Watt e ha come simbolo W ๐.2 ๐ท= 7.7 Energia La parola energia rimanda immediatamente e quella di lavoro infatti hanno la stessa unità di misura come avevamo già visto quando abbiamo fatto il calore e la temperatura. Si definisce energia la misura della capacita che un corpo ha di compiere lavoro in virtù di una sua qualche proprietà. 7.8 Tipi di energia Esistono molti tipi de energia ne ricorderemo alcuni: 1. Elettrica che fa funzionare i nostri elettrodomestici 2. Meccanica dovuta al movimento o alla posizione dei corpi (fig.5) 3. Nucleare immagazzinata nel nucleo degli atomi (fig.6) 4. Chimica come quella prodotta dalla combustione 5. Termica dovuta al moto delle molecole nei corpi 6. Radiante come l’energia trasportata dalle onde elettromagnetiche 7.9 Energia meccanica L’energia meccanica si differenzia in due parti: l’energia cinetica e l’energia potenziale. Un oggetto in movimento è in grado di compiere lavoro, basta pensare ad un corso d’acqua che muove le pale di un mulino (fig.7). Un oggetto posto ad una certa altezza cadendo è in grado di compiere un lavoro. Entrambi questi fenomeni fanno riferimento all’energia meccanica. 7.10 L’energia potenziale gravitazionale Col termine di energia potenziale gravitazionale si intende l’energia che un corpo a causa dell’altezza cui si trova (fig. 8). Se noi alziamo un corpo di massa m compiamo un lavoro contro la forza gravitazionale e il corpo acquista energia potenziale. Questa è uguale al prodotto della massa del corpo (m) per l’accelerazione di gravità (g) per l’altezza (h) ๐.3 ๐ฌ๐=๐๐๐ 7.11 L’energia cinetica Col termine di energia cinetica si intende l’energia che un corpo possiede a causa del suo movimento. Questo è dimostrato dal fatto che per fermare un corpo in movimento occorre compiere un lavoro. L’energia cinetica dipende dalla massa del corpo e dalla sua velocità al quadrato ๐ ๐ฌ ๐ 7.12 Energia elastica Per deformare un corpo elastico (es. una molla) occorre applicare una forza e compiere su di esso un lavoro (fig. 9). Questo lavoro causa una deformazione del corpo che acquista una certa energia, questa energia prende il nome di energia potenziale elastica. L’energia potenziale elastica di una molla deformata è uguale al lavoro compiuto dalla forza elastica quando la molla si riporta nella sua posizione di riposo (fig. 10) 7.13 Conservazione dell’energia meccanica Consideriamo le seguenti figure a fianco. All’inizio noi abbiamo che il bambino con lo skateboard è fermo nel punto più alto e ha solo energia potenziale, poi scenda e nel punto più basso non ha più energia potenziale ma la sua velocità è massima e ha la sua maggiore energia cinetica infine risale alla stessa altezza che aveva prima riacquistando nuovamente l’energia potenziale di prima. In assenza di attrito il moto proseguirebbe in eterno. In tutto questo ragionamento c’è una cosa che è rimasta costante: l’energia totale. In assenza di attriti l’energia meccanica può convertirsi da una forma all’altra ma l’energia totale del sistema rimane costante. Questo principio è noto come principio della conservazione dell’energia meccanica esprimibile con la seguente formula: 7. 15 Em = Ep +Ec = cost Con gli attriti la relazione precedente cessa la sua validità perché l’attrito trasforma l’energia meccanica in calore che altro non è che una forma di energia. 7.14 Principio di conservazione dell’energia L’energia non può essere né creata né distrutta ma essa si trasforma da una forma all’altra rimanendo invariata nel tempo.