L`ENERGIA

L’ENERGIA
Lavoro
Energia
Conservazione dell’energia totale
Energia cinetica e potenziale
Conservazione dell’energia meccanica
Forze conservative e dissipative
Potenza
Rendimento di una macchina
Che cos’è una “macchina”?
“Macchina”
è ogni dispositivo in grado di fornire una
prestazione meccanica
… sulla base delle proprie capacità intrinseche
e di un “costo” energetico/economico esterno
Es. l’automobile percorre un tot di km con un “pieno” di benzina
Es. il corpo umano “vive” per un tot di tempo con un “pieno” di cibo
Metabolismo basale = minimo fabbisogno per sopravvivere inerti
Metabolismo medio = fabbisogno necessario per una normale
attività fisica
Lavoro

F
dipendente dalla direzione
relativa tra forza e spostamento
a
Camminando con una valigia in mano:
in piano
 L=0
in salita
 L>0
in discesa
 L<0
Es.
Relazione tra joule e erg:

s
L = F •s
= F •s
J = N•m
joule
SI cgs pratici
joule erg
energia
(kWh, cal, eV,...)
Es.
1 J = 1 N • m = (105 dine) • (102 cm) = 107 dine • cm = 107 erg
Energia
Energia =capacità di compiere lavoro meccanico
stessa unità di misura
del lavoro: joule
L’energia si manifesta in forme diverse
e si puo’ trasformare da una forma all’altra.
Il lavoro compiuto su un corpo
diventa energia immagazzinata,
cioe’ capacita’ di compiere ulteriore lavoro.
- cinetica
-
potenziale gravità
potenziale elastica
potenziale elettrica
termica (calore)
chimica
nucleare
...............
PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA
In un sistema isolato, l’energia totale rimane costante.
L’energia non si crea e non si distrugge: si trasforma!
Le trasformazioni dell’energia
L’energia si trasforma continuamente da una forma all’altra,
con una componente dissipativa (calore) in ogni passaggio
grazie a Francesco Frigerio
Energia cinetica
Ogni corpo in movimento è dotato di energia
in base alla sua massa e alla sua velocita’
Energia cinetica: T = ½ mv2
Aumento di velocità = somministrazione di energia
Teorema dell’energia cinetica
(conservazione dell’energia)
L = DT = T2-T1 = ½ mv22 – ½ mv21
Il lavoro compiuto da una forza su un corpo in moto
e’ uguale alla variazione della sua energia cinetica.
Forze conservative
Una forza è conservativa se il lavoro
compiuto contro di essa per spostare un
corpo dal punto A al punto B non
dipende dal cammino seguito, ma solo
dalla posizione relativa dei punti A e B.
A
(1)
(3) (2)
In questo caso il corpo “immagazzina” questo lavoro
sotto forma di energia potenziale,
riutilizzabile per compiere altro lavoro.
B
Dissipazione di energia
Se invece il lavoro dipende dal cammino seguito,
viene perduto sotto forma di energia non riutilizzabile
(energia termica –calore- negli attriti)
e la forza è detta dissipativa.
Tutti i processi fisici “reali”
comportano una
dissipazione di energia
sotto forma di calore
con conseguente aumento
della temperatura
(es. giocando a tennis,
la pallina si riscalda)
grazie a Francesco Frigerio
Sistema circolatorio: gli attriti
Il sistema circolatorio e’ un circuito chiuso:
in presenza di forze conservative
L=DT=0
in presenza di forze dissipative (attriti)
L=DT<0
DT<0  Dv<0  v2<v1
Il lavoro (negativo) delle forze d’attrito fa sì che
la velocità finale del sangue sia minore rispetto a
quella iniziale prevista sulla base dell’equazione
di continuità del moto stazionario.
Energia potenziale gravitazionale
Lavoro compiuto
da/contro la forza peso
• nella caduta da A a B
• nel sollevamento da B a A
F = mg || s=h=hA-hB
 L = mg•(hA-hB)
linee di forza
A
z
hA
x
y


p = mg
suolo
B
Energia potenziale gravitazionale:
U = mgh = mghA-mghB
h = hA–hB
Dipende solo dall’altezza
h rispetto al suolo
(coord.z), non dalle
coord. orizzontali x e y
L’energia potenziale è relativa a un punto di riferimento arbitrario
(dipende dal “dislivello” tra due punti, non dall’altezza assoluta)
hB
Conservazione dell’energia meccanica
Energia meccanica = energia cinetica T + energia potenziale U
In generale, in un campo di forze conservative:

L = DT = TB-TA
L = UA–UB
 TB-TA = UA–UB 
TA+UA = TB+UB
CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA MECCANICA
In un campo di forze conservative
(es.moto senza attriti sotto l’azione della forza peso),
la somma dell’energia cinetica e potenziale rimane costante.
Moto di caduta dei gravi
Trascurando gli attriti, l’energia totale (meccanica) è costante:
Etot = Tin + Uin = Tfin + Ufin
all’inizio: Tin=0,
Uin=mgh
alla fine: Tfin=
Ufin=0
Etot = mgh =
altezza iniziale
h = v2/2g
½mv2,
½mv2
velocita’ finale
v = 2gh
(indipendenti dalla massa)
m
h
Potenza meccanica
potenza = lavoro compiuto
tempo impiegato
Una macchina e’ tanto piu’ “potente”
quanto piu’ riesce a fornire una certa
prestazione nel minor tempo possibile.
L
P
 Fs  Fv
Δt Δt
MKS: watt
cgs: erg•s
pratico: hp=735 watt
P = L/Dt
W = J/s
watt
Definizione equivalente:
Potenza = forza • velocita’
kilowattora:
1kWh = 1kW•1h = 103 W•3600 s = 3.6•106 J
 unita’ di lavoro, non di potenza
Rendimento di una macchina
rendimento =
lavoro utile prodotto
energia totale impiegata
In presenza di attriti,
una parte dell’energia
fornita va dispersa
sotto forma di calore e
non può essere utilizzata
per gli scopi richiesti.
h =
(100•)
L/Etot
%
adimensionale
h<1 (<100%)
Es.
Rendimento del cuore: h  10-15 %
Processi biochimici  contrazione muscolare  produzione di
energia potenziale chimica  Lavoro meccanico + calore