IL LAVORO E L’ENERGIA ENERGIA: • Grandezza scalare associata allo stato di un corpo • Esistono varie forme: Energia cinetica Energia potenziale Energia elettrica Energia chimica Energia termica Energia elastica ….. che si possono trasformare tra loro lasciando invariata la quantità totale di energia. 1 Il Lavoro Il lavoro è la variazione di energia di un sistema dovuta all’applicazione di una forza che fa subire uno spostamento al proprio punto di applicazione. Il lavoro compiuto da una forza è positivo quando il punto di applicazione della forza si sposta nella direzione orientata della forza, e cioè l’energia viene ceduta al corpo, negativo altrimenti. 𝑳 = 𝑭 ∙ 𝒔 = 𝑭 ∙ 𝒔 𝒄𝒄𝒄𝒄 Il Lavoro Forza motrice 𝑳>𝟎 Forza resistente 𝑳<𝟎 Forza a lavoro nullo 𝑳=𝟎 3 Esercizio 1 Mr. Clean fa le pulizie nel suo appartamento tirando un’aspirapolvere con una forza di modulo 𝐹 = 50𝑁. La forza forma un angolo di 30° con il piano orizzontale. L’aspirapolvere viene tirato per una distanza di 3 𝑚 verso destra. Calcolare il lavoro svolto dalla forza di 50𝑁 sull’aspirapolvere. 4 Esercizio 2 Una persona solleva una scatola di massa 𝑚 ad una altezza ℎ e poi cammina orizzontalmente di un tratto 𝑑. Calcolare il lavoro compiuto dalla persona. 8366.600586 9502.630859 22642.878906 9591.663086 Energia cinetica L’energia cinetica è l’energia associata allo stato di moto di un corpo: 1 K = m ⋅ v2 2 𝐾≥0 𝐾 = 0 quando il corpo è fermo 2 m m 1J = 1N ⋅1m = 1kg ⋅ 2 ⋅1m = kg ⋅ 2 s s 6 Unità di misura dell’energia L’energia si misura: 1) in Joule: 2 m m 1J = 1N ⋅1m = 1kg ⋅ 2 ⋅1m = kg ⋅ 2 s s 2) in elettronvolt: 1eV = 1.60 ×10 −19 J 7 Teorema dell’energia cinetica Il lavoro compiuto da tutte le forze che agiscono su un punto materiale è uguale alla variazione di energia cinetica del punto. ∆𝐾 = 𝐾𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 − 𝐾𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑎𝑎𝑎 = 𝐿 Quindi la variazione di energia è uguale ala lavoro. Se 𝐿 viene compiuto dal sistema: 𝐾 < 0 Se 𝐿 viene compiuto sul sistema: 𝐾 > 0 Esercizio 3 Un blocco di massa 𝑚 = 6𝑘𝑘 viene spostato di un tratto ∆𝑥 = 3𝑚 su una superficie liscia orizzontale da una forza di modulo 12 N. Trovare la velocità del blocco alla fine dello spostamento. 9 Esercizio 4 (Lavoro fatto dalla forza peso) Un corpo di massa 𝑚 = 4.5 𝑔 cade da un’altezza ℎ = 10.5 𝑚 partendo da fermo. Trascurando la resistenza dell’aria, determinare la velocità del corpo all’impatto. 10 11 Potenza La potenza esprime la rapidità con cui viene compiuto un lavoro: ∆L P= ∆t 1J m2 = kg ⋅ 3 1Watt = 1s s 12 Esercizio 5 Una macchina ( 𝑚 = 1200𝑘𝑘) accelera da una 𝑣𝑖 = 0 𝑣𝑓 = 25 𝑚 𝑠 ad una in ∆𝑡 = 8𝑠 . Quale è la potenza prodotta dal motore per generare questa accelerazione? 13 Forze conservative Esistono due definizioni equivalenti di forze conservative: Una forza si dice conservativa se il lavoro complessivo svolto da tale forza su una particella che si muove su un cammino chiuso è nullo. Il lavoro svolto per portare una particella da due punti qualsiasi non dipende dal particolare seguito. 14 Energia potenziale Quando una forza è conservativa, è possibile definire per essa una forma di energia che viene detta: energia potenziale. ∆𝑈 = 𝑈𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 − 𝑈𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑎𝑎𝑎 = 𝐿 • U è una forma di energia associata alla configurazione di un sistema • Esiste solo per forze conservative 15 Energia potenziale gravitazionale L’energia potenziale gravitazionale è legata alla forza gravitazionale: 𝐹 = 𝑚𝑚 𝑈 = 𝑚𝑚𝑚 • L’energia potenziale è una forma di energia associata alla posizione (intesa come quota) di un corpo • L’energia potenziale di un corpo posto nel campo gravitazionale terrestre ha lo stesso andamento della curva di livello, essendo 𝑈 = 𝑚𝑚𝑚. 16 Energia potenziale elastica L’energia potenziale elastica è legata alla forza elastica: 𝐹 = −𝑘 ∆𝑥 1 2 𝑈 = − 𝑘 ∆𝑥 2 Molla non deformata. Molla compressa di una lunghezza 𝑥. Quando la molla viene rilasciata, l’energia potenziale immagazzinata si trasforma in energia cinetica. Esercizio 6 La molla per lanciare le palline da flipper ha una costante elastica 𝑘 = 405 𝑁⁄𝑚. Quanto forza è necessaria per comprimere la molla di 3 𝑐𝑐? Quale è l’energia potenziale accumulata? 18 19 Energia meccanica 𝑬=𝑲+𝑼 L’energia meccanica è la somma di: • l’energia cinetica (movimento) • l’energia potenziale (posizione) 20 Teorema di conservazione dell’energia meccanica L’energia meccanica di un sistema chiuso ed isolato si conserva. ∆𝑬 = ∆𝑲 + ∆𝑼 = 𝟎 • Sistema isolato: non agiscono forze esterne • Sistema chiuso: non vi sono scambi di energia • Le forze che agiscono all’interno di tale sistema possono far convertire l’energia cinetica in potenziale e viceversa. • Se intervengono forze NON conservative, l’energia meccanica totale NON si conserva. 21 Teorema di conservazione dell’energia meccanica ∆E = ∆K + ∆U = 0 K finale − K iniziale + U finale − U iniziale = 0 K finale + U finale = K iniziale + U iniziale 1 1 2 2 mv finale + mgh finale = mviniziale + mghiniziale 2 2 22 Corpo in caduta libera Una palla di massa 𝑚 cade da un’altezza ℎ rispetto al suolo. Studiare il moto della palla. ℎ 𝐾 𝑦 1 𝑚𝑣𝑦 2 2 ℎ 0 0 1 𝑚𝑣𝑓 2 2 𝑈 𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚 0 𝐸 𝑚𝑚𝑚 1 𝑚𝑣𝑦 2 2 + 𝑚𝑚𝑚 1 𝑚𝑣𝑓 2 2 23 Esercizio 7 Un corpo di massa 𝑚 = 50𝑘𝑘 viene lasciato cadere da fermo lungo la verticale da un’altezza ℎ = 10𝑚 . Determinare la velocità con la quale tocca terra. m d 24