Che cos è una macchina?

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

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

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.

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!

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

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.

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.

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

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.

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)

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.

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

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 = 3.6 10 6 J unita di lavoro, non di potenza

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 10-15 % Es. Processi biochimici contrazione muscolare produzione di energia potenziale chimica Lavoro meccanico + calore