Facoltà di Studi Classici, Linguistici e della Formazione
SCIENZE DELLA FORMAZIONE PRIMARIA (LM-85 bis)
Lucia Quattrocchi
Didattica delle scienze (FIS/01)
8CFU
Quantità di moto
La quantità di moto permette di
distinguere fra particelle pesanti e
leggere con stessa velocità
La QUANTITÀ DI MOTO di un corpo è il prodotto fra la massa
del corpo e la sua velocità:
p mv
La Quantità di Moto è una grandezza vettoriale e la sua unità di misura,
nel S.I., è il prodotto delle unità di misura di massa e velocità: kg · m/s.
Un camion e una palla da ping-pong si
muovono alla stessa velocità v = 2 m/s.
Da quale dei due è preferibile essere
investiti ?
p descrive la differenza
fra i due oggetti in
moto !!!
Quantità di moto
se una bambina piccola (18 kg) vi
corresse incontro, probabilmente la
prendereste in braccio: è piccola non
può far danni.
se un giocatore di football (100 kg)
facesse la stessa cosa, probabilmente
vi scansereste
a che velocità dovrebbe
andare il giocatore per
avere la stessa quantità di
moto?
esempio
SISTEMI ISOLATI
Quando si esaminano problemi connessi alla conservazione di
grandezze fisiche è particolarmente importante valutare se il sistema,
cioè l’ambiente, in cui le grandezze in esame interagiscono fra di loro
sia o meno “isolato”.
Per valutare se un sistema è isolato dobbiamo innanzitutto definire:
Forze Interne: Forze esercitate dai corpi che fanno parte del
sistema;
Forze Esterne: Forze esercitate dai corpi che non fanno parte
del sistema.
Su questa base diamo la seguente definizione di sistema isolato:
Si definisce SISTEMA ISOLATO
un sistema in cui la risultante
delle forze esterne applicate al
sistema è uguale a zero.
CONSERVAZIONE
DELLA QUANTITÀ DI MOTO
LEGGE DI CONSERVAZIONE DELLA QUANTITÀ DI MOTO
In un sistema isolato la quantità di moto totale del sistema
si conserva:
Q qi costante
i
qtot ( prima ) qtot (dopo)
CONSERVAZIONE
DELLA QUANTITÀ DI MOTO
Due pattinatori sul ghiaccio
Chi si allontanerà con velocità maggiore????
CONSERVAZIONE
DELLA QUANTITÀ DI MOTO
Il rinculo di un fucile
pi p f
0 mpv p m f v f
vf
m pv p
Qual è la velocità di rinculo del fucile
considerando che la sua massa è 5 kg e che il
proiettile di 20 g viene sparato ad una velocità
di 620 m/s??
mf
CONSERVAZIONE
DELLA QUANTITÀ DI MOTO
IL PENDOLO DI
NEWTON
CONSERVAZIONE
DELLA QUANTITÀ DI MOTO
come fa un razzo o un astronauta a spostarsi nel vuoto ?
[cioè in assenza di attrito] ⇒ con la conservazione di p!!!!
A motori spenti la
quantità di moto del
sistema è nulla …
Quando si
accendono i motori
l’astronauta acquista
una velocità v pari
in modulo a quella
del gas espulso
Seppie polpi e
meduse utilizzano lo
stesso sistema di
propulsione!!
Forze impulsive
Si definisce IMPULSO DELLA FORZA in un intervallo di
tempo il prodotto tra la forza
e l’intervallo di tempo in cui
tale forza è applicata:
I F t [Nsec].
Forze impulsive: Il concetto di impulso è utile quando
una delle forze agenti sulla particella agisce
per breve tempo
con intensità elevata
Forze impulsive sono tipiche dei processi di urto (brevissima durata)
TEOREMA DELL’IMPULSO
L’impulso di una forza in un dato
intervallo di tempo è pari alla
variazione di quantità di moto nello
stesso intervallo di tempo:
I F t q
LAVORO COMPIUTO DA UNA FORZA
In fisica il lavoro si
definisce come la forza che
agisce su un oggetto e ne
causa lo spostamento.
In questa definizione del
lavoro ci sono tre parole
chiave: la forza, lo
spostamento e la causa
dello
spostamento. In altri
termini, perché compia
un lavoro su un oggetto,
deve essere la forza stessa
la
causa dello spostamento
dell’oggetto. Quindi non è
sufficiente, per compiere
un lavoro, applicare
una forza. Se manca lo
spostamento non ci sarà
lavoro.
LAVORO
E’ possibile esercitare una forza su un oggetto anche
senza compiere lavoro. Per esempio se si tiene in mano
un pacco stando fermi, non si sta compiendo alcun
lavoro sull’oggetto. Non si compie lavoro neppure se lo si
sta trasportando orizzontalmente a velocità costante
perché non occorre alcuna forza orizzontale.
NB: è necessario specificare quando si parla di lavoro
fatto da un oggetto o compiuto su un oggetto. Inoltre,
bisogna specificare se il lavoro compiuto è dovuto a una
forza particolare o se è dovuto alla forza risultante
agente sull’oggetto
Fatica e lavoro: se
un uomo
trasporta una
valigia compie
un lavoro nullo
ma i muscoli
risentono
comunque della
fatica della forza
esercitata.
LAVORO
Data quindi una forza costante, F, che, applicata a un corpo, ne
provoca lo spostamento di un segmento Δs , si definisce lavoro,
L, della forza il prodotto dello spostamento per la componente Fs
della forza nella direzione dello spostamento:
L Fs s
Il lavoro è una grandezza scalare , quindi non è dotato di una
direzione e di un verso.
L'unità di misura del lavoro è il joule (simbolo J), definito come il
lavoro compiuto da una forza di 1 newton quando il suo punto di
applicazione si sposta di 1 metro e dimensionalmente uguale a una
forza per uno spostamento:
Il lavoro può essere positivo o negativo!
MOTORE
L > 0 forza e spostamento paralleli
LAVORO
RESISTENTE L < 0
forza e spostamento hanno verso opposto
…. LAVORI UGUALI IN TEMPI DIVERSI
Una macchina compie il lavoro di 100 J il 2 ore,
un’altra lo compie in un’ora
Cambia qualcosa?
Se c’è una differenza e bisogna trovare il modo di
farla emergere
Le due macchine differiscono per la velocità
con cui compiono un lavoro
Introduco il concetto di Potenza così definito:
Si chiama potenza una grandezza scalare data dal rapporto fra
il lavoro compiuto (da un sistema es. macchina) e l’intervallo di
tempo impiegato a compierlo
W=L/t
POTENZA
L’unità di misura della potenza è stata dedicata a
James Watt e ha come simbolo W
L
W
t
Sapendo che l’unità di misura del
lavoro è il joule (J) mentre quella del
tempo è il secondo (s) abbiamo che
J
W
s
Perciò definiamo Watt la
potenza di una macchina capace
di fornire il lavoro di un joule al
secondo
DIMENSIONE DEL WATT
Ricordando che [J] = Kg m2/s2
Abbiamo [W] = Kg m2/s3
I multipli del Watt sono
il chilowatt KW = 103 W
il megawatt MW = 106 W
il gigawatt GW = 109 W
Vale la pena ricordare l’unità di misura pratica
della potenza: il cavallo vapore CV
1 CV = 735 W
ENERGIA……
L’energia è l’anima del mondo, è ciò che dà il movimento
alla materia che riempie il nostro universo.
Se non ci fosse energia, ogni cosa, ogni particella di
materia sarebbe ferma e fredda.
Gli esseri umani hanno bisogno di energia per tutte le
funzioni che svolgono: per camminare, correre, alzarsi,
sedersi …
Anche la nostra vita quotidiana richiede continuamente
energia: per scaldare l’acqua della doccia al mattino, per
raffreddare e conservare il cibo, per riscaldare le case in
inverno, per spostarci con l’auto, la moto, il treno o
l’aereo.
ENERGIA
Il concetto di energia nasce, nella meccanica classica, dall'osservazione
sperimentale che la capacità di un sistema fisico di
sviluppare una forza decade quando il sistema stesso stabilisce
un'interazione con uno o più sistemi mediante la stessa forza.
In questo senso l'energia può essere definita come una grandezza
fisica posseduta dal sistema che può venire "consumata"
per generare una forza.
Nella fisica classica l'energia è definita come la capacità
di un corpo o di un sistema di compiere lavoro e la
misura di questo lavoro è a sua volta la misura
dell'energia.
Se un oggetto è in grado di compiere lavoro allora si
dice che ha una certa quantità di energia
LE FORME DELL’ENERGIA
L'energia può assumere forme diverse.
Nel cibo, ad esempio, è immagazzinata l'energia
chimica che il nostro corpo utilizza per correre,
giocare, pensare e fare moltissime altre cose.
Le centrali elettriche e le pile
forniscono energia elettrica.
Le pale eoliche, l'acqua che scorre, un'automobile
che si muove o un'onda sonora sono tutte forme di
energia meccanica.
Nelle nostre case, i termosifoni e il
forno producono energia termica.
L'energia nucleare si libera quando si
rompono o si fondono gli atomi.
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
Un oggetto posto ad una certa altezza cadendo è in
grado di compiere un lavoro
Entrambi questi fenomeni fanno riferimento
all’energia meccanica
ENERGIA CINETICA
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
L’Energia Cinetica è una grandezza scalare e la sua unità di misura,
nel S.I., è il joule così come per il Lavoro.
ENERGIA POTENZIALE
Si definisce Energia Potenziale l’energia associata alla posizione
di un corpo su cui influiscono le forze generate da altri corpi.
Tale energia è legata al lavoro che il corpo, in virtù della sua
posizione, può potenzialmente compiere.
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
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)
ENERGIA POTENZIALE GRAVITAZIONALE
Col termine di energia potenziale gravitazionale si intende
l’energia che un corpo possiede in virtù della posizione in
cui si trova
Se noi alziamo un corpo di massa m compiamo un lavoro
contro la forza gravitazionale che possiamo facilmente
calcolare
Quindi l’energia potenziale
gravitazionale è equivalente al
lavoro compiuto contro la forza
gravitazionale per alzare un corpo
di massa m di un altezza h
Perciò l’energia potenziale
gravitazionale è direttamente
proporzionale alla massa m del
corpo e al dislivello h esistente fra
il corpo e il suolo
P mg
L Fs mgh
h
m
g
ENERGIA POTENZIALE GRAVITAZIONALE
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:
Lgravità = m·g·h
ENERGIA POTENZIALE ELASTICA
Per deformare un corpo elastico (es. una molla)
occorre applicare una forza e compiere su di esso
un lavoro
Questo lavoro causa una deformazione del corpo
che acquista una certa energia
Questa energia prende il nome di energia
potenziale elastica
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
Essa obbedisce alla Legge di Hooke
Dove k è una caratteristica
della molla e x è l’allungamento
della molla
1 2
U kx
2
FORZE CONSERVATIVE
Il lavoro compiuto contro la gravità per spostare un oggetto da una
posizione ad un’altra non dipende dal particolare cammino percorso.
Forze come la gravità, per cui il lavoro da esso compiuto non dipende
dal cammino percorso ma solo dalle posizioni finale ed iniziale sono
chiamate forze conservative. La forza elastica è anch’essa conservativa.
L’attrito è un esempio di forza non conservativa. Se spostiamo una
cassa lungo un pavimento, l’attrito dipende dal percorso, se rettilineo
o curvo o a zig-zag.
CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA MECCANICA
Nelle montagne russe un carrello continua ad andare su e giù.
Quando scende, l’energia potenziale gravitazionale si trasforma in
energia cinetica; quando sale avviene il contrario, cioè l’energia
cinetica si trasforma in energia potenziale.
In un sistema isolato in cui agiscono solo forze conservative
l'energia meccanica totale del sistema
1 2
E K U mv mgh cos t
2
si conserva (rimane costante).
CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA MECCANICA
CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA MECCANICA
CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA
Nella realtà ed in presenza di attriti l'energia meccanica totale di un
sistema non si conserva. Ad esempio un meteorite cadendo acquista K
(energia cinetica) a spese di U (energia potenziale), ma nell'impatto al
suolo perde ogni energia.
L'energia cinetica di un'automobile che frena si trasforma in energia interna
dei freni – che si riscaldano – e dell'aria vicina.
In questi casi l'energia meccanica si trasforma in energia interna dei corpi, che
in genere si percepisce come aumento di temperatura.
In un sistema isolato l’energia totale (meccanica + interna +
chimica + elettrica...) del sistema si conserva.
L’energia non si crea e non si distrugge ma passa da una forma
ad un’altra
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
Quando si accende il fuoco, l’energia
chimica liberata nella combustione si
trasferisce sotto forma di calore alla
griglia, aumentandone la temperatura.
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.
CENTRALE TERMO – ELETTRICA
Una centrale trasforma l’energia termica generata
dalla combustione in energia meccanica, che è poi
trasformata in energia elettrica
In Italia la
componente
termoelettrica
rappresenta
circa l’80% del
totale
Si ottiene dalla
combustione di
Gas, petrolio
carbone …
CENTRALE IDRO – ELETTRICA
En potenziale->En Cinetica->En elettrica
CENTRALE EOLICA
En Cinetica (Vento)->En elettrica
CENTRALE NUCLEARE
FISSIONE NUCLEARE
Un neutrone lento urta un atomo di uranio e lo
spezza in due nuclei di dimensioni circa uguali
1 +
235
n
U
0
92
141 +
92 +3 n1
Ba
Kr
56
36
0
La fissione di 1
grammo di
Uranio fornisce
energia come
2 ton. di
petrolio
TRASFERIMENTI DI ENERGIA
La radiazione
solare può essere
assorbita e poi
trasformata da
organismi viventi
o da dispositivi
convertitori di
energia
Una delle attività più importanti degli scienziati ed in particolare dei tecnici è la
costruzione di dispositivi atti a trasformare un tipo di energia in un'altra.
Un convertitore di energia è caratterizzato da un rendimento:
LE FONTI DI ENERGIA
FONTI DI ENERGIA NON RINNOVABILI
Sono destinate in periodi più o meno lunghi ad
esaurirsi. Per rigenerarle occorrono milioni di anni,
per questo non possono essere considerate
“rinnovabili”. I combustibili fossili (petrolio,
carbone, gas naturale) ma anche il “combustibile”
per l'energia nucleare, appartengono a questa
categoria. La maggior parte dell'energia oggi
utilizzata è ottenuta da combustibili fossili.
FONTI DI ENERGIA RINNOVABILI
Sono tutte le fonti di energia non fossili : solare,
eolica, idraulica, geotermica, del moto ondoso e le
biomasse che vengono continuamente riprodotte,
in tempi brevi, come ad esempio dagli alberi e
dagli arbusti che crescono utilizzando l'energia
solare.
Tra breve dovremmo cambiare il nostro utilizzo
dell'energia e passare dallo sfruttamento di
materiali non rinnovabili alle risorse rinnovabili
