Lavoro ed energia - saperi essenziali

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
𝟕.2 𝑷=
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)
𝟕.3 𝑬𝒑=𝒎𝒈𝒉
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
𝟕
𝑬
𝒎
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.