Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte Fisica Lezioni e problemi

Unità 9 - Energia e lavoro 1. Il lavoro 2. La potenza 3. L’energia cinetica 4. L’energia potenziale 5. Lavoro ed energia nei corpi elastici 6. I mille volti dell’energia Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 2

Lezione 1 - Il lavoro Una forza compie lavoro quando sposta il suo punto di applicazione; più forze applicate allo stesso corpo compiono lavoro in modo indipendente l’una dall’altra Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 3

Lezione 1 - Il lavoro Una forza compie lavoro se produce uno spostamento. La forza sul carrello non è parallela allo spostamento; solo la componente parallela compie lavoro. Se forza F e spostamento s sono vettori paralleli, il lavoro L è il prodotto dei loro moduli: Se forza e spostamento non sono paralleli, si considera solamente la componente della forza parallela allo spostamento: Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 4

Lezione 1 - Il lavoro Nel SI il lavoro si misura in joule (J): Se l’angolo tra forza e spostamento è α: Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 5

Lezione 1 - Il lavoro Valore e segno del lavoro L dipendono dall’angolo α tra la forza F e lo spostamento s. L’angolo tra forza e spostamento è acuto, il lavoro è positivo. L’angolo tra forza e spostamento è ottuso, il lavoro è negativo. Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 L’angolo tra forza e spostamento è retto, il lavoro è nullo. 6

Lezione 1 - Il lavoro Su un corpo agiscono più forze; il lavoro totale è: - la somma algebrica dei lavori delle I cani compiono lavoro positivo sulla slitta, la forza di attrito compie lavoro negativo. singole forze che agiscono oppure, in modo equivalente - il lavoro compiuto dalla risultante di tutte le forze applicate Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 7

Lezione 2 - La potenza è il lavoro compiuto da una forza nell’unità di tempo; la potenza è una proprietà delle macchine Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 8

Lezione 2 - La potenza è il rapporto fra il lavoro compiuto e l’intervallo di tempo impiegato per compierlo: Nel SI la potenza si misura in watt (W): Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 9

Lezione 2 - La potenza Multipli del watt La potenza è un dato caratteristico delle apparecchiature elettriche. Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 10

Lezione 2 - La potenza Un corpo è soggetto a una forza F e si muove a velocità costante. (F compensa le altre forze che si oppongono al moto, come gli attriti). La potenza che deve essere fornita in questo caso è il prodotto della forza per la velocità: Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 11

Lezione 2 - La potenza Il rendimento di una macchina è il rapporto tra potenza utile e potenza assorbita; è sempre inferiore a 1 L’uomo fornisce 120 W alla carrucola. Di questi, 100 W servono a sollevare il carico e 20 W vengono persi negli attriti. Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 12

Lezione 3 - L’energia cinetica è associata al movimento di un corpo; essa varia quando sul corpo viene fatto un lavoro Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 13

Lezione 3 - L’energia cinetica Energia: capacità di compiere lavoro Un corpo in movimento ha la capacità di compiere lavoro Il carrello in moto compie un lavoro sulla pallina, perché la fa spostare. (per esempio comprimendo una molla) Energia cinetica: energia posseduta da un corpo in movimento. Dipende dalla massa e dalla velocità Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 14

Lezione 3 - L’energia cinetica Ec di un corpo e il semiprodotto della massa per il quadrato della velocita. Nel SI l’unità di misura dell’energia cinetica è il joule (J). -Lavoro e energia cinetica hanno la stessa unità di misura: Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 15

Lezione 3 - L’energia cinetica Forza applicata a un corpo: l’energia cinetica può variare a) Una forza parallela alla velocità fa variare l’energia cinetica (moto di caduta) b) Una forza perpendicolare alla velocità modifica la traiettoria ma lascia invariata l’energia cinetica (moto circolare uniforme) Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 La forza-peso aumenta la velocità e quindi aumenta l’energia cinetica della biglia. La forza centripeta modifica la traiettoria ma non l’energia cinetica della biglia. 16

Lezione 3 - L’energia cinetica c) Una forza che forma un angolo α rispetto alla velocità può essere scomposta in due componenti: parallela alla velocità, fa variare l’energia cinetica perpendicolare alla velocità, modifica la traiettoria ma lascia invariata l’energia cinetica Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 La forza modifica sia la traiettoria sia l’energia cinetica della biglia. 17

Lezione 3 - 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. vi è la velocità iniziale del corpo, prima che inizi l’azione della forza, vf è la velocità finale, quando questa azione è terminata. Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 18

Lezione 4 - L’energia potenziale gravitazionale è associata alla posizione di un corpo rispetto alla Terra. Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 19

Lezione 4 - L’energia potenziale Un corpo fermo può avere la capacità di compiere lavoro: - per esempio può avere energia potenziale gravitazionale, perché la forza che compie lavoro è quella di gravità. Energia di posizione: il masso compie lavoro se cade dalla roccia. Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 20

Lezione 4 - L’energia potenziale Energia potenziale gravitazionale di un corpo: 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 La scatola che si trova sull’armadietto ha maggiore energia potenziale di quella sul tavolo, perché può compiere un lavoro maggiore. La scatola sul pavimento non ha energia potenziale. Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 21

Lezione 4 - L’energia potenziale Il valore di Ep dipende dal livello scelto come riferimento. Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 22

Lezione 4 - L’energia potenziale La forza peso è una forza conservativa In assenza di attrito, per Per fare salire (a velocità costante) un corpo su spostare la cassa a velocità un piano inclinato senza attrito si applica una costante ci vuole una forza uguale e opposta a. forza F che compie il lavoro L = P·h. Il corpo acquista l’energia potenziale Ep = P·h. Cadendo sotto l’azione del peso il corpo può restituire il lavoro speso per sollevarlo: Ep = L. Il lavoro compiuto dalla forza peso dipende solo dalla differenza di quota h, e non dal percorso. Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 23

Lezione 4 - L’energia potenziale La forza d’attrito è una forza non conservativa ( o dissipativa). Se l’attrito non è trascurabile, per far salire la cassa bisogna vincere non solo la componente parallela del peso ma anche la forza di attrito. Il corpo acquista l’energia potenziale Ep = P·h. In presenza di attrito, la forza necessaria per spostare la cassa a velocità costante è maggiore di. Cadendo il corpo non può restituire tutto il lavoro speso per sollevarlo: Ep < L. Il lavoro compiuto dalla forza d’attrito dipende dal percorso seguito. Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 24

Lezione 4 - L’energia potenziale Una forza è conservativa se il calcolo del lavoro che essa svolge non dipende dal percorso, ma solo dalla posizione iniziale e da quella finale. - Solo per le forze conservative si può definire un’energia potenziale. - Il lavoro fatto per vincere la forza-peso viene recuperato interamente, perciò diciamo che la forza-peso è una forza conservativa. - Il lavoro fatto contro la forza di attrito non viene recuperato. Per questo motivo diciamo che la forza di attrito è una forza non conservativa. Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 25

Lezione 5 - Lavoro ed energia nei corpi elastici In un grafico forza-spostamento, l’area al di sotto del grafico rappresenta il lavoro compiuto dalla forza. Questo permette di calcolare il lavoro di forze variabili con lo spostamento, come la Forza elastica Il lavoro compiuto tra le posizioni 0 e s è uguale all’area colorata. Per la forza elastica: Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 26

Lezione 5 - Lavoro ed energia nei corpi elastici Energia potenziale elastica Ee di una molla compressa di un tratto s: lavoro che la molla può compiere tornando alla posizione di equilibrio. La molla compressa ha la capacità di compiere lavoro, perciò possiede energia potenziale elastica. La forza elastica è una forza conservativa Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 27

Lezione 6 - I mille volti dell’energia L’energia si può trasferire da un sistema a un altro in modi diversi; nel trasferimento ci possono essere delle perdite di energia Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 28

- Esistono varie forme di energia, per esempio l’energia cinetica, l’energia potenziale gravitazionale, l’energia potenziale elastica, ma anche il calore o ciò che si ottiene da una reazione chimica o dalla scissione di un atomo rappresentano forme di energia. - Ciascuna forma di energia si trasforma continuamente in un’altra. - L’energia non può essere né creata, né distrutta, ma solo trasformata. Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 29

Lezione 6 - I mille volti dell’energia Ci sono macchine in grado di trasformare l’energia cinetica di un fluido in lavoro meccanico. Un esempio è rappresentato dalla turbina eolica. Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 30

Lezione 6 - I mille volti dell’energia Tramite la rete elettrica è possibile trasportare energia da un luogo all’altro. Per esempio è possibile catturare l’energia dell’acqua in alta montagna e trasportarla in città. Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 31

Lezione 6 - I mille volti dell’energia Tutte le macchine trasformano un tipo di energia in un altro: per esempio lavoro in energia elettrica, calore in lavoro, energia cinetica in lavoro. In ognuna di queste trasformazioni una parte dell’energia viene trasformata in calore e dispersa sotto questa forma nell’ambiente. Una parte dell’energia viene dissipata, nel senso che non è più utile. Si definisce rendimento il rapporto tra l’energia utile e l’energia assorbita: Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 Il motorino trasforma energia elettrica in lavoro. Una parte dell’energia viene dissipata in calore. 32

Unità 9 - Energia e lavoro Potenza Teorema dell’energia cinetica Energia cinetica Trasferimenti di energia Lavoro Energia potenziale Forze conservative Lavoro di una forza costante Energia potenziale gravitazionale Lavoro di una forza variabile Energia potenziale elastica Giuseppe Ruffo Nunzio Lanotte, Fisica Lezioni e problemi © Zanichelli editore 2016 33