IL LAVORO E L'ENERGIA
Premessa. Le leggi della dinamica
studiate in precedenza consentono di formulare spiegazioni efficaci di molti fenomeni
relativi al movimento dei corpi; tuttavia rimangono in sospeso alcune
questioni. Qual è l'origine delle forze? Che cosa si trasmette da un corpo
all'altro durante l'applicazione di una forza? Per rispondere a questi
interrogativi, vengono introdotte due nuove grandezze intuitive familiari ma
che dovettero essere definite in modo preciso: il lavoro e l'energia.
Le forze al Lavoro. Il concetto scientifico di lavoro ha un significato molto più specifico di quello che ha nel linguaggio comune. Ad esempio, ci consideriamo al lavoro mentre studiamo. Tuttavia questo non è un lavoro in senso fisico poiché non sappiamo come misurarlo. Per compiere un lavoro è necessario applicare una forza il cui effetto è, di solito, quello di provocare uno spostamento del corpo su cui agisce, come quando camminiamo con in spalla lo zainetto pieno di libri. In fisica, si dice che si effettua lavoro quando un corpo a cui è applicata una forza, subisce uno spostamento. Ecco, quindi, che quando solleviamo da terra lo zainetto compiamo lavoro mentre quando lo teniamo sollevato non compiamo in realtà alcun lavoro, almeno dal punto di vista fisico.
Può
sembrare strano che si parli di lavoro quando solleviamo lo zaino e non quando
la manteniamo sollevato da terra, ma se si riflette le due situazioni sono
molto diverse tra loro: mentre nella prima è necessaria la nostra azione per
alzare lo zainetto, nella seconda si potrebbe benissimo farne a meno, essendo
infatti sufficiente... appoggiare lo zainetto su una sedia.
Queste considerazioni giustificano la necessità di
dar una definizione rigorosa di lavoro
La definizione di Lavoro. Consideriamo un carrello
ed applichiamo ad esso una forza F costante che forma un angolo q con un piano orizzontale. Il carrello, per
effetto di questa forza, si mette in movimento, percorrendo dopo un dato
intervallo di tempo una distanza S.
Def. Il lavoro della forza F è il prodotto dell'intensità della forza
applicata per la lunghezza S dello spostamento prodotto da essa e per il coseno
dell’angolo che la forza forma con la direzione dello spostamento.
Oss. 1. Nella (1) compare la funzione goniometrica
cos q così definita:
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Sia data una circonferenza di raggio unitario nel
centro dell'origine. Si
chiama seno dell'angolo orientato QOP e si scrive sen QOP,
l'ordinata del punto P, dunque la lunghezza del segmento QP. |
Per
l’andamento della funzione coseno si vedano anche le seguenti Applet Java:
http://ww2.unime.it/dipart/i_fismed/wbt/ita/wf2/SinCosTan/sincostan_ita.htm
http://www.math.it/goniometria/unita1-3b.htm
Oss.
2. Il prodotto F cosq è la componente della forza
nella direzione dello spostamento. Da questa definizione possiamo dedurre che :
1. il lavoro è nullo, se è nullo
lo spostamento, o se è nulla la forza, o se, non essendo nulli nessuno dei due,
sono fra loro perpendicolari;
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Lavoro nullo di una forza. La forza premente, esercitata
dalla pila di libri, non esegue lavoro perché non sposta il suo punto di applicazione;
la stessa cosa vale quando, da fermi, teniamo sollevata una valigia. La forza
muscolare che esercitiamo non lavora anche quando siamo in movimento poiché,
in tal caso a = 90° e quindi L = 0. Ciò
è intuitivamente giustificabile notando che lo spostamento non è provocato
dal braccio, ma dalle gambe, che muovono in orizzontale tutta la persona:
sono le gambe che fanno lavoro, non il braccio. Un altro esempio di lavoro
nullo si ha nel moto circolare uniforme, in cui la forza centripeta è in ogni
istante perpendicolare alla velocità e quindi allo spostamento e perciò il
lavoro è nullo Esempi
tratti dal libro Fisica di S. Papucci - Hoepli |
2. il lavoro è positivo quando la proiezione della forza
sullo spostamento ha lo stesso verso di questo, ed è negativo se ha verso
opposto. Il lavoro positivo, che si ha quando 0 < a < 90 °, è detto anche lavoro motore,
cioè, favorevole al moto. Invece, il lavoro negativo, che si ha quando 90 < a < 180 °, è detto lavoro resistente,
cioè, contrario al moto.
Il caso più importante di lavoro resistente è quello
prodotto dalle forze di attrito. Si ha un lavoro negativo anche quando
abbassiamo a velocità costante un peso; infatti, in tal caso la direzione della
forza è opposta a quella dello spostamento.
Oss 3. L'unità di misura del lavoro è, nel sistema MKS, il N x m = joule (J), cioè il lavoro che effettua una forza di un N per spostare il suo punto di applicazione di un m nella sua stessa direzione e verso. Se, invece della forza di un N, si considera una forza di un chilogrammo-peso, l'unità è il chilogrammetro (kgm), che corrisponde a 9,8 J. Nel sistema cgs, l'unità è il dina x cm = erg.
1 Joule = 1 newton x 1 metro
Il Joule è un’unità di misura piuttosto piccola: il
libro di fisica ha una massa di circa 1 kg e quindi un peso di 10 N; per
sollevarlo di 1 metro è necessaria una forza uguale al suo peso e quindi si
deve esercitare un lavoro di 10 J. In altre parole, eseguo un lavoro di 1 Joule
quando sollevo di 1 metro un …etto di “prosciutto crudo”!
IMPORTANTE ! L'esecuzione di un
lavoro implica sempre il consumo di una corrispondente quantità di una nuova
grandezza fisica chiamata “energia”.
Detto in un altro modo: Un corpo o una macchina si dice che possiede energia quando è in grado
di compiere un lavoro.
Importantissimo! L'energia può
presentarsi sotto diverse forme e può trasformarsi da una forma all'altra.
Sulle diverse forme di energia clicca qui:
http://www.geocities.com/codadilupo_2000/energ.htm