Lavoro, Potenza ed Energia: Concetti Fondamentali della Fisica
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Il lavoro
Si può parlare di lavoro solo se all'applicazione di una forza consegue uno spostamento del corpo sollecitato. Dal momento che il lavoro aumenta all'aumentare sia del modulo della forza applicata F sia dello spostamento s, si può dare una prima definizione, valida solo quando forza e spostamento hanno stessa direzione e verso.
L = F × s unità di misura = Joule / 1J = 1 N × m
Questa situazione, se rappresentata in un grafico, darà un angolo di 90°; in questo caso si avrà un lavoro nullo, perché la forza non dà nessun contributo allo spostamento.
Se invece la forza e lo spostamento hanno una direzione diversa, si formerà un angolo acuto; in questo caso si avrà un lavoro positivo o lavoro motore.
L = Fs × s (Fs = componente della forza)
Se invece si forma un angolo ottuso si avrà un lavoro negativo o lavoro resistente.
Formule inverse: F = L/s; m = F/g; s = L/F
Rappresentazione grafica del lavoro
Consideriamo un sasso che cade in verticale. La forza peso è una forza costante. Poiché la forza peso e lo spostamento sono paralleli e hanno lo stesso verso, si ottiene:
L = F × s → m × g × h
In un grafico forza-spostamento, il lavoro compiuto dalla forza peso corrisponde all'area del rettangolo che si forma.
Consideriamo una molla che si comprime: la forza elastica della molla, che si oppone alla nostra forza muscolare, è una forza variabile e segue la legge di Hooke: F = K × ΔL. La forza esercitata sulla molla e la variazione di lunghezza sono parallele e hanno lo stesso verso, ma non si può applicare la definizione di lavoro L = F × s perché la forza varia in ogni istante.
In un grafico forza-spostamento, il lavoro compiuto dalla forza corrisponde all'area del triangolo che si forma.
La potenza
La potenza è una grandezza fisica che mette in relazione il lavoro e il tempo impiegato a completarlo:
P = grandezza scalare P = L / Δt unità di misura = W / 1 W = 1 J/s
Formule inverse: Δt = L/P
L'energia
L'energia è la possibilità che venga compiuto un lavoro. L'energia e il lavoro hanno la stessa unità di misura, il Joule (J).
Il kilowattora (kWh) è la quantità di energia corrispondente a una potenza di un kW erogata per un intervallo di tempo pari a un'ora.
L'energia esiste in varie forme:
Energia cinetica: dovuta al movimento dei corpi.
Energia gravitazionale: legata all'interazione reciproca tra masse.
Energia elastica: associata alla deformazione di un corpo.
Energia cinetica
L'energia cinetica è quella forma di energia che un corpo possiede per il fatto di essere in movimento:
Ec = 1/2 m × v² unità di misura = Joule (J)
L'energia cinetica è direttamente proporzionale alla massa: se la massa raddoppia, raddoppierà anche l'energia cinetica, e viceversa. In un grafico, la relazione tra l'energia cinetica e la massa dà luogo a una retta passante per l'origine.
L'energia cinetica è proporzionale al quadrato della velocità: se la velocità raddoppia, l'energia cinetica diventa 4 volte più grande, e viceversa. In un grafico, la relazione tra l'energia cinetica e la velocità dà luogo ad una parabola.