LAVORO, POTENZA ED ENERGIA

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1 LAVORO, POTENZA ED ENERGIA Giuseppe Frangiamore con la collaborazione di Leonardo Zaffuto Solitamente si dice di compiere un lavoro ogni volta che si esegue un attività di tipo fisico o mentale. Quando si lavora, si prova fatica e ci si stanca. Con il cibo e il riposo recuperiamo le energie perdute. La fisica ha assunto dalla pratica quotidiana il concetto di lavoro e lo ha riferito alle forze applicate ai corpi e agli spostamenti prodotti. Si definisce lavoro della forza F il prodotto dell intensità della forza per lo spostamento s. Più esattamente il lavoro si definisce come il prodotto tra la componente della forza applicata al corpo parallela alla direzione dello spostamento e lo spostamento stesso. Lavoro = forza spostamento??? J N m (joule) (newton) (metri) Un Joule è pari al lavoro compiuto da una forza unitaria (espressa in N) che provoca lo spostamento di un corpo pari a un metro. F Condizione: s = Ø L = Ø Nelle condizioni rappresentate in figura, per qualunque direzione della forza applicata, il lavoro è nullo poiché non vi è spostamento.

2 F S L = F S Nelle condizioni rappresentate nella figura soprastante, il lavoro è non nullo e poiché la forza e lo spostamento hanno la stessa direzione e stesso verso, esso si calcola come il prodotto dell intensità della forza applicata per lo spostamento subito. L = F s Nella figura la forza applicata è inclinata rispetto alla direzione dello spostamento. In tal caso, per calcolare il lavoro, occorre prima i tutto determinare la componente della forza nella direzione dello spostamento F. Il lavoro sarà dato dal prodotto di tale componente per lo spostamento. Il lavoro si dice motore quando esso è positivo e la forza che compie il lavoro si definisce forza motrice. Quando il lavoro compiuto da una forza è negativo esso si dice resistente e la forza applicata si definisce forza resistente.

3 La potenza In fisica la potenza (una maggiore potenza) è legata alla capacità di una forza di compiere lavoro L nel più breve tempo possibile. Più esattamente si definisce potenza il rapporto fra lavoro e tempo: P = L / t? Watt ( W ) Un watt è uguale al lavoro di un joule realizzato in un secondo. Sostituendo nella formula della potenza la definizione del lavoro e ricordando che spazio su tempo è la velocità, si ottiene: P = = F v ( v = velocità ) L energia L energia è una grandezza fisica che esprime la capacità di un sistema fisico di compiere lavoro. L energia è una grandezza di tipo scalare associata allo stato fisico e alle condizioni in cui un corpo o un sistema si trovano. Nell ambito puramente meccanico, si distinguono due forme diverse di energia: l energia potenziale gravitazionale e l energia cinetica. L energia potenziale gravitazionale Si definisce energia potenziale gravitazionale di un corpo, calcolata rispetto al suolo, il prodotto del peso P del corpo per l altezza h a cui esso si trova. L energia potenziale gravitazionale è posseduta quindi da un corpo di massa (m) posta da un altezza (h) rispetto al suolo. L unità di misura è il joule. Prendendo a riferimento le condizioni rappresentate nella figura, si determina che il lavoro compiuto da una forza per portare un corpo di massa m dalla posizione 1 alla posizione 2 in una campo gravitazionale, è pari alla differenza dell energia potenziale gravitazionale della posizione finale ed iniziale.

4 L energia cinetica L energia cinetica di un corpo è legata al suo movimento; essa è definita nel seguente modo: Ec = ½ m v 2 + Il teorema dell energia cinetica Il lavoro compiuto dalla forza F per portare un corpo di massa m dalla velocità iniziale v 0 alla velocità finale v è pari alla variazione di energia cinetica del corpo. Questa affermazione costituisce il cosiddetto teorema dell energia cinetica. L energia meccanica L energia cinetica e l energia potenziale sono due forme tipiche sotto cui si presenta in natura l energia meccanica. Definiamo energia meccanica, la somma dell energia potenziale gravitazionale e dell energia cinetica. Ec= ½ *m*v 2 Ep= m*g*h Em = Ec + Ep Tenendo conto del legame fra lavoro e variazioni di energia possiamo scrivere: L=?Ec L=?Ep L=?Em =?Ec +?Ep

5 Si definisce sistema isolato un sistema che non scambia nessuna interazione con l ambiente esterno. In un sistema isolato, il lavoro compiuto dalle forze esterne al sistema è nullo e quindi è nulla la variazione di energia meccanica. L = 0 Em=0 Principio di conservazione dell Energia Meccanica: in un sistema isolato, l energia meccanica si conserva. In altri termini, prendendo a riferimento le condizioni iniziali (i) e finali (f) di un sistema isolato, possiamo scrivere: Epi + Eci = Epf+Ecf = costante Consideriamo un sistema come quello di figura in cui un corpo di massa m scivola lungo una superficie curvilinea, senza attrito, soggetta alla sola forza di gravità; il sistema (considerando sistema il corpo di massa m) è isolato in quanto non agiscono su di esso forze esterne e l energia potenziale gravitazionale e cinetica variano continuamente man mano che il sistema si evolve, ma la loro somma rimane costante.