E K = 1 2 mv 2. A.A. 2014/15 Fisica 1 1

Documenti analoghi
Cap 7 - Lavoro ed energia Lavoro di una forza costante

Energia e Lavoro. In pratica, si determina la dipendenza dallo spazio invece che dal tempo

LAVORO ED ENERGIA. Dott.ssa Silvia Rainò

parametri della cinematica

Forze Conservative. In generale il lavoro fatto da una forza (più precisamente, da un campo di forze):

Energia e Lavoro. Energia, Energia potenziale, Energia cine2ca Definizione di lavoro

Lavoro ed energia. Lavoro di una forza Teorema dell energia cinetica Forze conservative Conservazione dell energia

Università del Sannio

Lavoro ed energia. Lavoro di una forza Teorema dell energia cinetica Forze conservative Conservazione dell energia

Lavoro ed energia cinetica

Si consideri un punto materiale in moto su una traiettoria curvilinea e soggetto ad una forza non costante. F i F 2 F N

approfondimento Lavoro ed energia

Lavoro. Energia. Mauro Saita Versione provvisoria, febbraio Lavoro è forza per spostamento

IL LAVORO E L ENERGIA. che si possono trasformare tra loro lasciando invariata la quantità totale di energia.

Forze conservative. Conservazione dell energia. Sistemi a molti corpi 1 / 37

Esercizio (tratto dal Problema 4.28 del Mazzoldi 2)

Energia meccanica. Lavoro Energia meccanica Concetto di campo in Fisica. Antonio (

Meccanica. 3 - Energia

Il lavoro e l energia

Lezione 5. L equilibrio dei corpi. Lavoro ed energia.

Lavoro. Esempio. Definizione di lavoro. Lavoro motore e lavoro resistente. Lavoro compiuto da più forze ENERGIA, LAVORO E PRINCIPI DI CONSERVAZIONE

Corso di Fisica. Laurea in Scienze Infermieristiche Sede di Cassino

Grandezze importanti. Un lavoro positivo si chiama lavoro motore, mentre un lavoro negativo si chiama lavoro resistente.

Lezione del F t = componente lungo la tangente della forza lungo il percorso.

b) DIAGRAMMA DELLE FORZE

LAVORO, POTENZA ED ENERGIA

Esercitazione 3. Soluzione. F y dy = 0 al 2 dy = 0.06 J

Fisica applicata Lezione 5

Visione d insieme DOMANDE E RISPOSTE SULL UNITÀ

Ricordiamo ora che a è legata ad x (derivata seconda) ed otteniamo

III ESERCITAZIONE. Soluzione. (F x û x + F y û y ) (dx û x + dy û y ) (1)

L energia potenziale gravitazionale di un oggetto di massa m che si trova ad un altezza h rispetto ad un livello scelto come riferimento è: E PG = mgh

Dalla definizione se una forza è perpendicolare allo spostamento il lavoro

QUANTITA DI MOTO Corso di Fisica per Farmacia, Facoltà di Farmacia, Università G. D Annunzio, Cosimo Del Gratta 2006

Forza viscosa. Abbiamo visto che la forza di attrito in un fluido può essere modellizzata come: F A = kv legge di Stokes (1) F = kv 2 v v

DEDUZIONE DEL TEOREMA DELL'ENERGIA CINETICA DELL EQUAZIONE SIMBOLICA DELLA DINAMICA

Lavoro compiuto da una forza :

Esercizi Concetto di energia

Il Corso di Fisica per Scienze Biologiche

Unità didattica 2. Seconda unità didattica (Fisica) 1. Corso integrato di Matematica e Fisica per il Corso di Farmacia

g.bonomi fisica sperimentale (mecc., elettrom.) Introduzione

ENERGIA LAVORO ED ENERGIA

Lez. 9 Moto armonico

Opera rilasciata sotto licenza CC BY-NC-SA 3.0 Italia da Studio Bells (

1 Indipendendenza dal percorso per forze conservative

Dinamica del punto materiale

Riassunto lezione 3. Principi della dinamica. Sistemi di riferimento inerziali. Legge di Newton: F = ma

P = r. o + r. O + ω r (1)

8. Energia e lavoro. 2 Teorema dell energia per un moto uniformemente

Densità e volume specifico

LE FORZE. Il mondo che ci circonda è costituito da oggetti che esercitano azioni gli uni sugli altri Queste azioni sono dette forze

Meccanica del punto materiale

Principio di inerzia

e una frequenza = 0 /2 =1/T (misurata in Hertz). Infine è la fase, cioè un numero (radianti) che dipende dalla definizione dell istante t=0.

Capitolo 12. Moto oscillatorio

Campi conservativi ed energia potenziale

Don Bosco 2014/15, Classe 3B - Primo compito in classe di Fisica

Test Esame di Fisica

Prova scritta del corso di Fisica con soluzioni

Dinamica: Forze e Moto, Leggi di Newton

Facoltà di Farmacia - Anno Accademico A 18 febbraio 2010 primo esonero

Corso di Fisica Generale 1

Problema 1: SOLUZIONE: 1) La velocità iniziale v 0 si ricava dal principio di conservazione dell energia meccanica; trascurando

DINAMICA 2. Quantità di moto e urti Attrito tra solidi Attrito viscoso Forza elastica Proprietà meccaniche dei solidi Forza centripeta

Corso Meccanica Anno Accademico 2016/17 Scritto del 24/07/2017

ESERCIZI SU LAVORO ED ENERGIA. Dott.ssa Silvia Rainò

Sistemi di più particelle

Potenziale elettrostatico

Applicazioni delle leggi della meccanica: moto armnico

Corso di Fisica generale

S 2 S 1 S 3 S 4 B S 5. Figura 1: Cammini diversi per collegare i due punti A e B

RISOLUZIONE DI PROBLEMI DI FISICA

Quando un corpo è in movimento??? Ulteriori attività formative a.a. 2011/12 2

Introduzione alla Meccanica: Cinematica

196 L Fs cos cos J 0,98. cos30 135,8 F F// F , N. mv mv

Compito del 14 giugno 2004

Teorema dell energia cinetica

Prodotto scalare e ortogonalità

Dinamica Rotazionale

ENERGIA POTENZIALE GRAVITAZIONALE

4. I principi della meccanica

Lezione 3 Cinematica Velocità Moto uniforme Accelerazione Moto uniformemente accelerato Concetto di Forza Leggi di Newton

Test Esame di Fisica

La descrizione del moto

La retta nel piano cartesiano

EQUAZIONI DI LAGRANGE E STAZIONARIETÀ DEL POTENZIALE

Che cos è una macchina?

Esercizio. Fisica - M. Obertino

L ENERGIA E LA QUANTITÀ DI MOTO

Robotica industriale. Richiami di statica del corpo rigido. Prof. Paolo Rocco

Unità didattica 3. Terza unità didattica (Fisica) 1. Corso integrato di Matematica e Fisica per il Corso di Farmacia

Polo per la Chimica e le Biotecnologie Ambientali e Sanitarie Istituto d Istruzione Superiore Ada Gobetti Marchesini Luigi Casale Torino

Lavoro ed energia cinetica

Corso di Fisica I per Matematica

Lezione 4 Energia potenziale e conservazione dell energia

Facoltà di Farmacia - Anno Accademico A 08 Aprile 2015 Esercitazione in itinere

Problema (tratto dal 7.42 del Mazzoldi 2)

Lavoro ed energia. Daniel Gessuti

Equilibrio dei corpi. Leggi di Newton e momento della forza, τ

Transcript:

Lavoro ed energia Le relazioni ricavate dalla cinematica e dalla dinamica permettono di descrivere il moto di un oggetto puntiforme note le variabili cinematiche e le forze applicate all oggetto in funzione del tempo. Spesso tutte queste informazioni non sono disponibili. C è quindi la necessità di trovare dei metodi alternativi per studiare il moto dell oggetto. Introduciamo due nuove grandezze fisiche: energia cinetica e lavoro. L energia cinetica E K viene così definita E K = 1 2 mv 2 L energia cinetica dipende dalla massa m dell oggetto e dalla sua velocità v, quindi è un definita senza aver bisogno di conoscere le interazioni che coinvolgono l oggetto ovvero è una grandezza che non dipende dall ambiente esterno. L unità di misura dell energia cinetica è il Joule (J) Joule = J = kg m 2 s 2 A.A. 2014/15 Fisica 1 1

L equazione dimensionale per l energia è [ E K ] = M [ ][ L] 2 [ T] 2 L energia cinetica è una quantità scalare che assume sempre valore positivo o al più nullo, in quanto dipende da v 2. Abbiamo bisogno ora di trovare un parametro analogo all energia cinetica e che dipenda dal mondo esterno, cioè contenga l interazione. Innanzitutto ricordiamo che l effetto dell interazione con l ambiente esterno provoca una variazione nel moto dell oggetto, in particolare ne cambia la velocità cambia pure E K. L interazione varia l energia cinetica di un corpo. L interazione trasferisce energia da un corpo ad un altro. Chiamiamo questo trasferimento di energia, lavoro W. Quando al corpo viene ceduta energia si ha lavoro positivo (il corpo aumenta la propria energia), quando è il corpo a cedere energia si ha lavoro negativo (l energia del corpo diminuisce). Non è un flusso di qualche sostanza!!!! A.A. 2014/15 Fisica 1 2

Cerchiamo di dare una formulazione matematica al lavoro B W = F d s A Il lavoro è una quantità scalare ottenuta integrando il prodotto scalare tra la forza F agente sul corpo e il suo spostamento ds. Per conoscere il lavoro fatto da una forza, dobbiamo sapere come la forza varia lungo il percorso seguito dall oggetto, F(s). A volte abbiamo a che fare con forze costanti, allora possiamo riscrivere il lavoro nel modo seguente B W = F d s = F Δ r se F è costante A Dalla definizione di lavoro, ricaviamo che se F ds, allora W = 0. È questo il caso di ogni forza centripeta per cui lo spostamento infinitesimo è sempre alla forza, pertanto possiamo affermare che una forza centripeta non compie mai lavoro e non può modificare l energia del corpo su cui agisce. A.A. 2014/15 Fisica 1 3

Disegniamo il grafico di F(x), vediamo che il lavoro corrisponde all area sottesa dalla curva F(x) tra i punti di coordinata x 1 ed x 2. W Nel caso di una forza costante, sviluppando il prodotto scalare si ha W = FΔscosθ dove θ è l angolo tra la direzione di F e quella di Δs. Quindi una forza produce un lavoro tanto più elevato quanto più allo spostamento è la sua retta di applicazione. Il lavoro può essere positivo (quando cosθ > 0) con aumento di energia o negativo (quando cosθ < 0) con diminuzione dell energia del corpo. Vediamo ora se possiamo trovare una relazione tra energia cinetica e lavoro. A.A. 2014/15 Fisica 1 4

F d s = ma d s = ma T ds = m dv dt W = Infine otteniamo r 1 r 2 F d s = ds = m ds dt v 2 mvdv = 1 2 mv 2 2 1 2 mv 2 1 v 1 W = E K f E K i = ΔE K (1) dv = mvdv La relazione (1) ci dà il collegamento cercato tra lavoro ed energia e ci dice che un lavoro si manifesta sempre come variazione di energia cinetica di un corpo. La relazione (1) è nota come teorema dell energia cinetica ed è una relazione sempre valida, qualunque sia la forza che compie il lavoro. Essa, inoltre, ci fornisce un ulteriore collegamento tra il punto di vista del corpo e quello dell ambiente esterno. Passiamo ora ad analizzare il lavoro svolto da alcune forze particolari. L unità di misura del lavoro è il N m oppure il Joule (J). A.A. 2014/15 Fisica 1 5

Lavoro svolto dalla forza gravitazionale Consideriamo un corpo su cui agisce la sola forza di gravità F g e calcoliamo il lavoro compiuto da F g quando il corpo sale dalla quota y 1 alla quota y 2 e quando scende da y 2 ad y 1 (Δy = y 2 y 1 ). Ricordiamo che F g è una forza di modulo costante sempre rivolta verso il basso. Scegliamo come riferimento l asse delle y orientato come il moto. W 1 = W 2 = y 2 y 1 y 1 y 2 F g d y F g dy = F y g dy = m 2 g y dy 2 = mgδy y 1 y 1 = F y g dy = m 1 g y dy 1 = mgδy y 2 Notiamo che in modulo i due lavori sono uguali, il lavoro nella fase di salita è negativo dato che forza e spostamento sono antiparalleli, mentre nella fase di discesa è positivo in quanto forza e spostamento sono vettori paralleli. Se avessimo saputo le velocità iniziale e finale del corpo avremmo potuto calcolare il lavoro fatto a partire dalla variazione dell energia cinetica. Avremmo così ottenuto: A.A. 2014/15 Fisica 1 6 y 2

W 1 = E K 2 E K 1 = ΔE K e W 2 = E K 1 E K 2 = ΔE K Vediamo così che i due lavori sono opposti e che la velocità con cui il corpo passa per y 1 sia in salita che in discesa è sempre la stessa in modulo (il verso cambia), quindi a punti del moto che si trovano alla medesima quota compete sempre la stessa energia cinetica (nel caso considerato). Notiamo inoltre che essendo W 1 = -W 2, il lavoro totale fatto da F g per spostare il corpo da y 1 fino ad y 2 e riportarlo ad y 1, è nullo: dal punto di vista energetico, per il corpo non è variato nulla durante il tragitto y 1 -y 2 -y 1. A.A. 2014/15 Fisica 1 7

Forza elastica e lavoro della forza elastica Molla a riposo Molla allungata Molla compressa La molla reagisce alle deformazioni con una forza di tipo elastico, detta forza di richiamo espressa dalla legge di Hooke F = k d con d = spostamento e k = costante elastica misurata in Nm -1 A.A. 2014/15 Fisica 1 8

La forza elastica F el dipende dalla posizione. Calcoliamo il lavoro fatto dalla molla per spostare il blocco di massa m dalla posizione x 1 alla posizione x 2 e viceversa. Trascuriamo gli attriti e prendiamo come asse di riferimento l asse orizzontale x orientato da sx a dx. W 12 = x F dx 2 x 2 = kxdx = 1 2 kx 2 x 1 x 1 2 + 1 2 kx 2 1 W 21 = 1 2 kx 2 1 + 1 2 kx 2 2 e W 12 = W 21 Se il blocco di massa m si avvicina alla posizione di riposo x = 0, allora il lavoro fatto dalla F el è positivo, viceversa se il blocco si allontana dalla posizione di riposo della molla il lavoro fatto dalla F el è negativo. Se la F el fa compiere al corpo di massa m uno spostamento globalmente nullo, il lavoro è nullo. Se applichiamo il teorema dell energia cinetica otteniamo 1 2 kx 2 1 1 2 kx 2 2 = 1 2 mv 2 2 1 2 mv 2 1 Per il percorso completo x 1 -x 2 -x 1 si ha v 1i = v 1f, quindi il corpo quando passa per x 1 ha sempre la stessa velocità (in modulo). A.A. 2014/15 Fisica 1 9

Lavoro della forza di attrito Consideriamo un corpo di massa m che striscia su un piano, tra corpo e piano c è attrito e il coefficiente di attrito dinamico vale µ d. Calcoliamo il lavoro fatto dalla forza di attrito lungo il percorso da x 1 a x 2 e da x 2 a x 1 (asse delle x orientata concordemente al moto). m F d x 1 x 2 x Ricordiamo che la forza di attrito dinamico si oppone sempre al moto. W 12 = x F dx 2 x 2 = µ d Ndx = µ d mg(x 2 x 1 ) = x 1 x 1 = µ d mgd x W 21 = F dx 1 x 1 = µ d Ndx = µ d mg(x 1 x 2 ) = x 2 = µ d mgd x 2 Troviamo così che il lavoro W 12 è uguale al lavoro W 21 e, in un percorso chiuso, l effetto della forza di attrito sul corpo di massa m energeticamente non è nullo. A.A. 2014/15 Fisica 1 10

Potenza A volte è utile sapere con che rapidità può essere fornito un dato lavoro. Questa quantità prende il nome di potenza P istantanea Mentre la potenza media è P = dw dt P = W Δt L unità di misura della potenza nel S.I. è il watt W= Js -1 =kg m 2 s -3 mentre l equazione dimensionale è [P]=[M][L] 2 [T] -3 Inoltre P = dw dt = F d s dt = F cosθds dt = F cosθv = F v A.A. 2014/15 Fisica 1 11

Energia potenziale Riconsideriamo i lavori fatti dalla forza di interazione gravitazionale e quello della forza elastica W g = mgy i mgy f W el = 1 2 kx 2 i 1 2 kx 2 f In entrambi i casi il lavoro dipende solo dalla posizione iniziale e da quella finale, ovvero W g = f( y i ) f( y f ) W el = f( x i ) f( x f ) Possiamo quindi definire una funzione E p (x) W g = ΔE p (y) = E p (y i ) E p (y f ) W el = ΔE p (x) = E p (x i ) E p (x f ) E p (x) prende il nome di energia potenziale gravitazionale o elastica. A.A. 2014/15 Fisica 1 12

L energia potenziale ci dice quanta energia può sviluppare il sistema qualora venga spostato dalla posizione in cui si trova. Il fatto che E p (x) dipenda unicamente dalla posizione in cui si trova la particella, ci permette di affermare che qualunque variazione ΔE p (x) è indipendente dal percorso seguito dalla particella, purché esso congiunga sempre i medesimi punti iniziale (x i ) e finale (x f ). I percorsi 1 e 2 si equivalgono dal punto di vista del lavoro e dell energia potenziale, non siamo in grado di distinguerli sulla base delle sole informazioni energetiche. Cerchiamo di capire meglio il significato di questa nuova funzione E p (x). x W i f = F d f s = ΔE p = ( E p E ) p f i x i A.A. 2014/15 Fisica 1 13

La funzione E p (x) non ha significato quando è valutata in un punto preciso, ciò che ha significato fisico è la differenza ΔE p (x). L energia potenziale è sempre definita a meno di una costante arbitraria. La scelta di detta costante è fatta di volta in volta cercando sempre la soluzione più conveniente. m = 2.0 kg y ΔE p1 = ΔE p 2 = ΔE p 3 = ΔE p 4 = 98J A.A. 2014/15 Fisica 1 14

Non sempre è possibile associare ad un lavoro una variazione di energia potenziale, ci sono infatti interazioni che comportano un lavoro che dipende dal percorso scelto (ad es. la forza di attrito). Abbiamo visto che in questi casi il lavoro su un percorso chiuso è diverso da zero. Di conseguenza abbiamo due tipi di forze Forze conservative il lavoro su un percorso chiuso è nullo si definisce E p (x)/ W = -ΔE p (x) Forze non conservative il lavoro su un percorso chiuso non è nullo non si definisce E p (x) F d s = 0 F d s 0 A.A. 2014/15 Fisica 1 15

Un corpo può possedere due tipi di energia, cinetica e potenziale. La prima è una proprietà del corpo e per definirla non dobbiamo specificare le interazioni a cui è soggetto il corpo. Per definire l energia potenziale invece, dobbiamo conoscere le interazioni a cui è soggetto il corpo, quindi l energia potenziale è un energia di interazione. Vediamo ora se possiamo mettere in relazione i due tipi di energia. W = ΔE K e W = -ΔE p ΔE K = ΔE p E Kf E Ki = E pi E pf E K f + E p f = E K i + E p i Possiamo allora definire una nuova funzione, che chiamiamo energia meccanica E m e che, nei casi considerati, si mantiene costante. E mi = E mf, E m = E K + E p (1) La relazione (1) esprime il principio di conservazione dell energia meccanica. A.A. 2014/15 Fisica 1 16

A.A. 2014/15 Fisica 1 17

A.A. 2014/15 Fisica 1 18

Ci chiediamo se il principio di conservazione dell energia meccanica sia sempre valido. Consideriamo la forza di attrito. Avevamo trovato che il lavoro fatto dalla forza di attrito su di un percorso chiuso non è nullo, quindi il lavoro totale dipende dal percorso seguito e non solo dalla posizione iniziale e da quella finale. Non possiamo pertanto, in questo caso, parlare di energia potenziale. Supponiamo di esaminare una particella che risente di più interazioni alcune conservative ed altre non conservative, possiamo scrivere W = ΔE K, W = W n.c. + W c., W c. = ΔE p W n.c. = ΔE K + ΔE p = ΔE m Quindi il lavoro fatto dalle forze non conservative provoca una diminuzione dell energia meccanica della particella. A.A. 2014/15 Fisica 1 19

Curve dell energia potenziale Dalla definizione di lavoro, per forze conservative, ricaviamo che dw = de p e dw = F d r de p = F d r Proiettando sugli assi cartesiani otteniamo F x = E p x ;F y = E p y ;F z = E p z che in forma compatta si scrive F = gr a de p = E p gr a de p = E p x i + E p y j + E p z Il gradiente ci indica il verso di diminuzione di E p La forza F è alla superficie su cui E p è costante. Le superfici caratterizzate da E p = costante si dicono superfici equipotenziali. A.A. 2014/15 Fisica 1 20 k

Consideriamo ora una forza che sia funzione della sola variabile x, possiamo rappresentare E p, E K ed E m con i seguenti grafici F x = de p dx A.A. 2014/15 Fisica 1 21

Condizioni di equilibrio E p (J), E m (J) x > x 5 equilibrio indifferente x = x 3 equilibrio instabile x = x 4 equilibrio stabile A.A. 2014/15 Fisica 1 22