Lavoro ed energia Lavoro di una forza Teorema dell’energia cinetica Forze conservative Conservazione dell’energia Moto uniformemente accelerato 1) v=v0+a(t-t0) 2) s=s0+v0(t-t0)+½a(t-t0)2 s=s0 + v0 (v - v0) /a + ½ (v - v0)2 / a s=s0 + (2 v0 v – 2 v0 2 + v2 – 2 v0 v + v02)/2 a 3) s – s0 = (v2 – v02)/2a a(s – s0)=1/2(v2 – v02) Caduta di un grave h(t) = h0 – ½ g t2 Lavoro di una forza Consideriamo una forza F applicata ad un punto materiale P che si sposti di una quantità s lungo una traiettoria rettilinea. Si definisce lavoro compiuto dalla forza F che sposta il suo punto di applicazione di una quantità s, il prodotto scalare: L = F·s=F s cos θ F θ P s Casi particolari • L è massimo nel caso in cui forza e spostamento siano paralleli e concordi: L = F s cos 0 = F s • L è nullo nel caso in cui forza e spostamento siano perpendicolari: L = F s cos π/2 = 0 • L è minimo nel caso in cui forza e spostamento siano paralleli e discordi: L = F s cos π = - F s È la componente della forza lungo lo spostamento l’unica a compiere lavoro! Lavoro per un percorso generico L = L1+L2+L3 + … = Σi Li Unità di misura del lavoro Nel SI il lavoro si misura in Joule: 1 J=1 N · m Nel CGS si misura in erg: 1 erg = 1 dina · cm. Ne consegue che: 1 J = 1 N · m = 105 dine·102 cm = 107 erg Esempio Concetto di energia Non è semplice definire il concetto di energia. L’energia cinetica è una forma particolare di energia. Esprime l’energia che un corpo possiede per il fatto che si muove. In generale per energia si intende la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro. Trattandosi di una grandezza omogenea al lavoro, si misura in J nel SI e in erg nel CGS. Teorema dell’energia cinetica Dato una particella di massa m e velocità v, si definisce energia cinetica la quantità scalare: K = ½mv2 Secondo il teorema dell’energia cinetica o delle forze vive il lavoro compiuto dalla risultante delle forze agenti su una particella che si muove di moto accelerato è uguale alla variazione di energia cinetica: L = Kf - Ki = ½ mvf2 - ½ mvi2 Teorema dell’energia cinetica derivazione L = FΔs = mavmΔt = = m(vf-vi/Δt)(vf+vi/2)Δt = = ½ m(vf-vi)(vf+vi) = = ½ mvf2 - ½ mvi2 = Kf – Ki Diretta conseguenza della 2a legge della dinamica. Lavoro di una forza variabile Esempio/problema Quando si trasporta qualcosa ad un’altezza h si deve compiere lavoro contro la forza di gravità L = F d cos θ d cosθ = h Non importa il percorso compiuto ma solo il dislivello! θ1=π/3 m=15 Kg h=10 m θ1=π/3 d1=20 m L1=? θ2=π/6 d2=11.55 m L2= ? θ2=π/6 Forze conservative Mentre su un punto materiale agisce una forza il punto può percorrere traiettorie molto complicate. Il lavoro L dipende in generale da A, da B e dal percorso scelto per andare da A a B. Per le forze conservative, L dipende dai soli punti iniziali e finali e non dalla traiettoria seguita. Forze conservative Energia potenziale Per le forze conservative è possibile introdurre una grandezza scalare, che dipende dalla posizione, l’energia potenziale U, tale che: L = Ui - Uf = - ΔU (teorema dell’energia potenziale) L’energia potenziale o posizionale di un corpo rappresenta l’energia che questo possiede in virtù della sua posizione sotto l’azione di una forza di tipo conservativo. Tale energia è potenzialmente convertibile in altre forme di energia (cinetica, calore, ecc.). Conservazione dell’energia meccanica Supponiamo che su un corpo agiscano esclusivamente delle forze conservative. Per il teorema dell’energia cinetica: L = ΔK Dalla definizione di energia potenziale: L = -ΔU Per cui: -ΔU = ΔK cioè ΔU+ΔK = 0 Se indichiamo con E l’energia meccanica totale del corpo, la precedente relazione diventa ΔE = 0 Principio di conservazione dell’energia (meccanica): L’energia si può trasformare da una forma all’altra ma l’energia totale di un sistema si conserva Non è dimostrabile ma al momento non ci sono casi in cui l’energia non si sia conservata Vale per tutte le forme di energia! Energia potenziale gravitazionale La forza di gravità è una forza conservativa, ad essa è associata una energia potenziale pari a U = m g h E’ l’energia che il corpo possiede per il fatto che si trova ad una certa quota h. Energia meccanica del sistema: ½ mv2+ m g h = costante h=70 m m= 1 kg a=g=9.8 m/s2 v0= 0 m/s vfinale=? Esercizio h=70 m m= 1 kg a=g=9.8 m/s2 v0= 0 m/s vfinale=? Esercizio s(t)=1/2 a t2 s(tfinale)=1/2 g t2finale= h=70 m t finale= 2h 140 s= s = 3.78 s g 9.8 v = a t = 9.8*3.78 m/s=37.04 m/s K=1/2 m v2=0.5 * 1 Kg * 37.042 m2/s2= 686 J Il lavoro fatto si è trasformato in energia cinetica del corpo? U=mgh=1Kg*9.8 m/s2*70 m=686 J Esercizio h=6 m (record mondiale) m=70 Kg Determinare la velocità di arrivo Cosa succede per un atleta di 50 kg? Velocità più grande o piccola? Esercizio h=6 m (record mondiale) m=70 Kg Determinare la velocità di arrivo U=mgh=70 Kg*9.8m/ s2*6m = 4116 J Principio di conservazione K = U = 4116 J = ½ m v2 => v=10.8 m/s=39 km/h v= 4116 × 2 m /s 70 Cosa succede per un atleta di 50 kg? Velocità più grande o piccola? La stessa! mgh × 2 v= = 2 gh m Energia potenziale elastica Per una forza di natura elastica esiste una proporzionalità diretta fra deformazione e forza deformante: F = k x (legge di Hooke). La forza elastica è una forza conservativa a cui è associata l’energia potenziale U = ½ k x2. Potenza La potenza esprime la rapidità con cui un lavoro viene compiuto. E’ definita come il rapporto fra il lavoro compiuto e l’intervallo di tempo impiegato: P = ΔL/Δt Potenza istantanea P = dL/dt = dK/dt = mv dv/dt = = ma v = Fv Nel SI si misura in Watt (simbolo W): 1 W = 1 J /s. Nel CGS in erg/s. Da cui: 1 W = 1 J/s = 107 erg/s Il chilowattora (kWh) è un’unità di misura di energia: 1 kWh = 103 W 3.6 103 s = 3.6 106 J Esercizio Un atleta di 60 Kg sale una rampa di scale alta 4.5 m in 4.0 s Quanto lavoro compie? Quanta potenza ha impiegato? Esercizio Un atleta di 60 Kg sale una rampa di scale alta 4.5 m in 4.0 s Quanto lavoro compie? Quanta potenza ha impiegato? L=mgh=60 Kg*9.8 m/s2*4.5 m=2646 J W=L/Δt=2646 J / 4 s = 661.5 W Cavallo vapore= potenza per sollevare 75 Kg per 1 metro in 1 secondo 1 cavallo-­‐vapore=mgh/s=75*9.8 Js=735 W In Inghilterra 746 W!