Lavoro e Energia

bozza in lavorazione

Come si produce una trasformazione?

Per far fare lavoro a una macchina o a un animale bisogna fornirgli energia.

Ma cosa è il lavoro e cosa l’energia?

In fisica il soggetto che compie lavoro è la forza. Ma non sempre le forze compiono lavoro. Infatti ad esempio, un freno a mano che tiene in equilibrio un’auto su un piano inclinato non consuma energia, dunque non compie lavoro.

Il lavoro è legato a uno spostamento.

Il lavoro è una grandezza fisica derivata definita dall’equazione

dove è la componente parallela allo spostamento della forza

Nella figura solo la componente parallela al pavimento della forza esercitata dalla persona (in rosso) contribuisce allo spostamento, e dunque al lavoro.

Il lavoro si distingue in
 L>0: lavoro motore: quando la forza è nello stesso verso dello spostamento (tende a favorire il moto).
 L<0: lavoro resistente: quando la forza è nel verso opposto dello spostamento (tende a rallentare il moto)

Cosa permette di compiere il lavoro?
L’energia

l’energia è la capacità di un sistema di compiere lavoro

E quando è che un sistema è in grado di compiere lavoro?

Ad esempio quando in determinate situazioni occupa posizioni di "vantaggio"
esempio: l’acqua che è a monte e scende a valle è sempre stata usata per compiere lavoro: i mulini, le turbine delle dighe etc.

Dunque l’acqua o un altro oggetto in un campo gravitazionale possiede un’energia dovuta al fatto che può cadere e nel cadere compiere lavoro.
chiamiamo questa energia energia potenziale gravitazionale.
 potenziale perché non si esprime sinché l’oggetto non cade
 gravitazionale perché senza la forza di gravità quell’oggetto non avrebbe alcuna energia

Tutte le energie che dipendono dalla posizione le cambiamo potenziali

Un altro esempio è la molla di un flipper che è compressa, ha una energia potenziale. infatti quando la molla è lasciata libera di espandersi. la forza elastica della molla compie lavoro (mette in moto la pallina)

Per l’energia potenziale gravitazionale studiamo l’espressione.

Quanta è l’energia potenziale di un oggetto di massa m ad altezza h?
E’ pari la lavoro che la forza peso compie quando fa cadelre la pallina: Forza peso e spostamento sono paralleli. la forza peso è mg, lo spostamento è h, il prodotto è mgh

Diremo dunque che l’energia potenziale dell’oggetto è
U = mgh

Energia cinetica

Un’altra situazione in cui un oggetto ha capacità di compiere lavoro è quando è in movimento.

Ad esempio un carrello in movimento che urta una molla è in grado di comprimerla, dunque compie un lavoro. La compressine della molla sarà maggiore tanto maggiore è la massa e/o la velocità del carrello.

Si può dimostrare che (ma non è questa la sede) l’energia cinetica k di un corpo di massa m che si muove a velocità v è

Ovvero l’energia cinetica è direttamente proporzionale alla massa e al QUADRATO della velocità.

Conservazione dell’energia meccanica

L’energia potenziale e l’energia cinetica sono due forme di energia meccanica

In assenza di attriti si osserva che l’energia meccanica di un sistema si conserva

Ad esempio quando si lascia cadere un oggetto la sua energia potenziale si trasforma in energia cinetica.

Viceversa quando si lancia con velocità v un oggetto verso l’alto, la sua energia cinetica si trasforma progressivamente in energia potenziale. al culmine della salita tutta l’energia cinetica si è esaurita (v=0) e si è al massimo di energia potenziale.

qualche conclusione il lavoro rappresenta il trasferimento di energia da un sistema ad un altro. per questo il lavoro motore è positivo perché trasferisce energia cinetica al corpo in movimento, mentre il lavoro resistente assorbe energia, sottrae energia cinetica al sistema che rallenta

Cosa succede quando l’energia meccanica non si conserva?

Joule è lo scienziato che ha dimostrato che l’energia cinetica è trasformata in calore dagli attriti.

I fisici hanno scoperto che l’energia non va mai perduta ma cambia sempre forma.

è una relazione che attesta che anche la massa è una forma di energia

E allora qual è il problema che crea la crisi energetica?

Semplificando moltissimo, il problema è nel fatto che non tutto il calore può essere trasformato nuovamente in lavoro!