Lavoro: Forza e Spostamento

Lavoro

• Una forza compie lavoro quando sposta il suo punto dove viene applicata.
• Più forze applicate allo stesso corpo compiono lavoro indipendentemente l'una dall'altra.
• Una forza compie lavoro se produce uno spostamento.
• Se la forza F e lo spostamento s sono vettori paralleli, il lavoro L è il prodotto dei loro moduli: L = F ⋅ s.
• Se forza e spostamento non sono paralleli, si considera solo la componente della forza parallela allo spostamento: L = F|| ⋅ s.
• Nel Sistema Internazionale, il lavoro si misura in joule (J): 1 J = (1 N) ⋅ (1 m).
• Se l'angolo tra la forza e lo spostamento è α, allora F|| = F ⋅ cos α.
• Esempio numerico: Se un uomo sposta un carrello di 10 m applicando una forza di 14 N che forma un angolo di 60° con la direzione dello spostamento, allora F|| = (14 N) ⋅ (cos 60°) = (14 N) ⋅ 0,5 = 7,0 N e il lavoro compiuto è L = (7,0 N) ⋅ (10 m) = 70 J.
• In un grafico forza-spostamento, l'area sotto il grafico rappresenta il lavoro compiuto dalla forza.
• Questo permette di calcolare il lavoro di forze variabili con lo spostamento, come la forza elastica: F = -k ⋅ s.
• Il lavoro compiuto dalla forza elastica tra le posizioni 0 e s è uguale all'area colorata nel grafico.
• Per la forza elastica, L = (1/2) ⋅ s ⋅ k ⋅ s = (1/2) ⋅ k ⋅ s².

Potenza

• La potenza è il lavoro compiuto da una forza nell'unità di tempo.
• La potenza è una proprietà delle macchine.
• La potenza è il rapporto tra il lavoro compiuto e l'intervallo di tempo impiegato per compierlo: P = L / Δt.
• Nel SI, la potenza si misura in watt (W): 1 W = 1 J / 1 s.
• Multipli del watt:
  • 1 kW = 1000 W = 1 × 10³ W
  • 1 MW = 1.000.000 W = 1 × 10⁶ W
  • 1 GW = 1.000.000.000 W = 1 × 10⁹ W
• La potenza è un dato caratteristico delle apparecchiature elettriche.
• La potenza che deve essere fornita è il prodotto della forza per la velocità: P = F ⋅ v.
• Un esempio: per vincere gli attriti e mantenere una velocità costante di 90 km/h, il motore di un'automobile sviluppa una forza di 2000 N, e la potenza necessaria è P = (2000 N) ⋅ (25 m/s) = 50.000 W = 50 kW.
• Il rendimento di una macchina è il rapporto tra la potenza utile e la potenza assorbita; è sempre inferiore a 1.
• Se una pompa deve assorbire una potenza di 1500 W per fornire una potenza di 1200 W, il suo rendimento vale r = 1200 W / 1500 W = 0,80.

Energia Cinetica

• L'energia cinetica è associata al movimento di un corpo; essa varia quando sul corpo viene fatto del lavoro.
• Energia: capacità di compiere lavoro.
• Un corpo in movimento ha la capacità di compiere lavoro.
• Energia cinetica: energia posseduta da un corpo in movimento.
• L'energia cinetica dipende dalla massa e dalla velocità.
• L'energia cinetica Ec di un corpo è il semiprodotto della massa per il quadrato della velocità: Ec = (1/2) ⋅ m ⋅ v².
• Nel SI, l'unità di misura dell'energia cinetica è il joule (J).
• Lavoro ed energia cinetica hanno la stessa unità di misura: (kg) ⋅ (m/s)² = (kg) ⋅ (m²/s²) = (kg) ⋅ (m/s²) ⋅ (m) = N ⋅ m = J.
• Forza applicata a un corpo: l'energia cinetica può variare.
• Una forza parallela alla velocità fa variare l'energia cinetica (moto di caduta).
• Una forza perpendicolare alla velocità modifica la traiettoria ma lascia invariata l'energia cinetica (moto circolare uniforme).
• Una forza che forma un angolo α rispetto alla velocità può essere scomposta in due componenti.
• La componente parallela F// alla velocità fa variare l'energia cinetica
• La componente perpendicolare F⊥ alla velocità modifica la traiettoria ma lascia invariata l'energia cinetica.
• Teorema dell'energia cinetica: il lavoro compiuto da una forza su un corpo è uguale alla variazione di energia cinetica del corpo stesso.
• Lf = (1/2)⋅m⋅vf^2 - (1/2)⋅m⋅vi^2 = L
• vi è la velocità iniziale del corpo, prima che inizi l'azione della forza,.
• vf è la velocità finale, quando questa azione è terminata.

Energia Potenziale

• L'ENERGIA POTENZIALE DI UN OGGETTO E' L'ENERGIA CHE POSSIEDE A CAUSA DELLA SUA POSIZIONE O ORIENTAMENTO RISPETTO AD UN CAMPO DI FORZE

• L'energia potenziale gravitazionale è associata alla posizione di un corpo rispetto alla Terra

• L'energia potenziale elastica è associata alla deformazione dei corpi elastici

• Un corpo fermo può avere la capacità di compiere lavoro

• per esempio può avere energia potenziale gravitazionale

• per esempio può avere energia potenziale elastica

• Energia potenziale gravitazionale di un corpo: il lavoro che la forza di gravità può compiere facendolo cadere sul piano di riferimento.

• Se l'oggetto ha massa m e si trova a una quota h: Lgravità = m⋅g⋅h

• Energia potenziale gravitazionale: Ep=m⋅g⋅h= Ph

• L'energia potenziale gravitazionale è una proprietà non del solo oggetto, ma del sistema Terra + oggetto

Trasferimenti di energia

• L'energia si può trasformare
• Quando un corpo cade, la sua energia potenziale si trasforma in energia cinetica
• L'energia si può trasferire
• L'atleta, quando lancia il giavellotto, gli trasferisce energia per lavoro meccanico
• L'energia si può trasferire per lavoro elettrico
• La pila, utilizzando la propria energia chimica, compie un lavoro elettrico sui portatori di cariche elettriche del circuito di collegamento.
• Questo lavoro elettrico consente al motorino di sollevare il peso.
• L'energia può essere trasferita per calore
• Quando si accende il fuoco, l'energia chimica liberata nella combustione si trasferisce sotto forma di calore alla griglia, aumentandone la temperatura.

Esplora il concetto di lavoro in fisica, definito come il prodotto della forza per lo spostamento. Approfondisci come calcolare il lavoro quando forza e spostamento sono paralleli o formano un angolo, con esempi pratici e la sua misurazione in joule.