Che cos è una macchina?

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1 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

2 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

3 Lavoro dipendente dalla direzione relativa tra forza e spostamento a F L = F s = F s s J = N m Es. Camminando con una valigia in mano: in piano L=0 in salita L>0 in discesa L<0 Relazione tra joule e erg: SI cgs pratici joule erg joule energia (kwh, cal, ev,...) 1 J = 1 N m = (10 5 dine) (10 2 cm) = 10 7 dine cm = 10 7 erg Es.

4 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!

5 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

6 Energia cinetica Ogni corpo in movimento è dotato di energia in base alla sua massa e alla sua velocita Energia cinetica: T = ½ mv 2 Aumento di velocità = somministrazione di energia Teorema dell energia cinetica (conservazione dell energia) L = DT = T 2 -T 1 = ½ mv 2 2 ½ mv 2 1 Il lavoro compiuto da una forza su un corpo in moto e uguale alla variazione della sua energia cinetica.

7 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 (3) (1) (2) B In questo caso il corpo immagazzina questo lavoro sotto forma di energia potenziale, riutilizzabile per compiere altro lavoro.

8 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

9 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 v 2 <v 1 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.

10 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=h A -h B L = mg (h A -h B ) z y suolo Energia potenziale gravitazionale: U = mgh = mgh A -mgh B x linee di forza A p = mg B h A h = h A h B Dipende solo dall altezza h rispetto al suolo (coord.z), non dalle coord. orizzontali x e y h B L energia potenziale è relativa a un punto di riferimento arbitrario (dipende dal dislivello tra due punti, non dall altezza assoluta)

11 Conservazione dell energia meccanica Energia meccanica = energia cinetica T + energia potenziale U In generale, in un campo di forze conservative: L = DT = T B -T A L = U A U B T B -T A = U A U B T A +U A = T B +U B 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.

12 Moto di caduta dei gravi Trascurando gli attriti, l energia totale (meccanica) è costante: E tot = T in + U in = T fin + U fin all inizio: T in =0, U in =mgh alla fine: T fin = ½mv 2, U fin =0 E tot = mgh = ½mv 2 altezza iniziale h = v 2 /2g (indipendenti dalla massa) velocita finale v = 2gh h m

13 Potenza meccanica potenza = lavoro compiuto tempo impiegato P = L/Dt P Una macchina e tanto piu potente quanto piu riesce a fornire una certa prestazione nel minor tempo possibile. L Δt F s Δt MKS: watt cgs: erg s pratico: hp=735 watt F v W = J/s watt Definizione equivalente: Potenza = forza velocita kilowattora: 1kWh = 1kW 1h = 10 3 W 3600 s = J unita di lavoro, non di potenza

14 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/E tot % adimensionale h<1 (<100%) Rendimento del cuore: h % Es. Processi biochimici contrazione muscolare produzione di energia potenziale chimica Lavoro meccanico + calore