|
La parola lavoro ha in fisica un significato diverso da quello che le diamo nell'uso quotidiano. Secondo il significato normale , un bambino che gioca a palla non compie un lavoro;viceversa secondo il significato che le attribuisce la fisica, egli compie un lavoro tutte le volte che colpisce la palla provocandone lo spostamento. |
|||||
|
Secondo la fisica, il ragazzo (figura 1) che colpisce la palla compie un lavoro.Egli determina lo spostamento della palla applicando una forza. |
 |
||||
| Per comprendere il concetto di lavoro consideriamo un bambino che lancia una palla fino al primo piano di una casa ed una gru che solleva un carico di mattoni esattamente alla stessa altezza. Tanto il bambino che la gru compiono un lavoro perchè applicano una forza ad un corpo e lo spostano, sollevandolo alla medesima altezza dal suolo.La gru che applica una forza maggiore compie un lavoro maggiore. La gru potrebbe sollevare il carico di mattoni fino al secondo piano della casa invece che al primo.In questo secondo caso sarebbe maggiore lo spostamento e quindi anche il lavoro fatto. | |||||
| Quando si compie un lavoro | Energia cinetica e potenziale | L'energia termica | La conservazione dell'energia | ||
|
Si compie un lavoro quando si applica una forza ad un corpo e il corpo subisce uno spostamento. Il lavoro è direttamente proporzionale alla forza applicata e allo spostamento. Se solleviamo da terra una cartella noi compiamo un lavoro. Viceversa, se teniamo sollevata la stessa cartella ad una certa distanza dal suolo non facciamo alcun lavoro. Infatti applichiamo una forza, ma non causiamo nessuno spostamento. Così pure non compiamo lavoro se camminiamo con la cartella in mano, infatti non c'è spostamento lungo la retta di applicazione della forza (Fig. 2). Due ragazzi che giocano al tiro alla fune applicano entrambi una forza, ma solo se la forza di uno di essi prevale su quella dell'altro c'e' uno spostamento e quindi un lavoro. Altrimenti se la risultante delle forze è nulla , anche il lavoro è nullo. |
 |
a) Dal punto di vista della fisica, una persona immobile in piedi che sostiene una valigia non compie alcun lavoro,in quanto lo spostamento è nullo. b) Allo stesso modo un'attività di studio non implica lavoro di una "forza".
|
|
Il lavoro è uguale al prodotto della forza applicata (F) per lo spostamento (s). In formula : L=F*s |
||
|
|
Il bambino,invece di lanciare la palla,(fig.4 a) potrebbe portarla con sè fino al primo piano salendo le scale di casa (fig. 4 b). Il percorso sarebbe diverso, ma il lavoro sarebbe lo stesso perchè la palla è sollevata in entrambi i casi alla stessa altezza rispetto al livello del suolo. Ciò che conta , infatti,è la distanza (misurata lunga la verticale) a cui la palla è sollevata rispetto al livello del suolo.
|
|
| Per calcolare il lavoro compiuto (fig. 3) nel sollevare un corpo, lo spostamento deve essere misurato lungo la verticale, cioè la retta secondo la quale agisce la forza di gravità. | ||
|
L'unità di misura del
lavoro è il joule (simbolo J). Il lavoro di un joule è compiuto da una
forza di un newton che sposta il suo punto di applicazione di un metro
lungo la sua retta d'azione.
Ad esempio, il lavoro compiuto da una gru nel sollevare un carico di mattoni del peso di 500 kg-peso (1 kg = 9,8 N) all'altezza di 10 m è uguale: L = ( 500*9.8 ) N * 10 m = 4900 N * 10 m= 49000 J. Il lavoro compito da un bambino che getta in alto una palla dal peso di 0,5 Kg-p all'altezza di 5 m è : 0,5 Kg = 4,9 N L= (4,9 * 5)J = 24,5 J |
||
|
Una palla lanciata in aria (fig. 5) sale più o meno in alto secondo la maggiore o minore energia di movimento (energia cinetica) che le viene trasmessa al momento del lancio. A mano a mano che sale verso l'alto, la palla ha una energia di movimento sempre più piccola; nell'istante in cui raggiunge il culmine della traiettoria, la palla non ha alcuna capacità di continuare il movimento verso l'alto perchè ha energia di movimento nulla. La palla rimane ferma un solo istante nel punto più alto della traiettoria, poi si rimette immediatamente in movimento in senso inverso a quello di prima. Noi attribuiamo la capacità della palla di muoversi verso il basso all'energia potenziale di posizione che essa possiede per il semplice fatto di trovarsi ad una certa distanza dal suolo. A mano a mano che si avvicina al suolo nel corso della caduta, la palla perde gradualmente energia potenziale , fino a non possederne affatto al momento dell'impatto. |
La traiettoria di una palla lanciata in alto. |
|
| Si chiama energia di un corpo la sua capacità di compiere lavoro. | ||
| Nella caduta lungo la cascata l'acqua perde energia potenziale e acquista energia cinetica. | ||
| Tanto l'energia cinetica che l'energia potenziale conferiscono ad un corpo la capacità di compiere un lavoro ( rispettivamente, quello di salire verso l'alto e di cadere verso il basso): noi diciamo che esse sono due distinte forme di energia. |  |
|
|
La misura dell'energia cinetica e potenziale |
||
|
Qualunque corpo in movimento possiede energia cinetica. L'energia cinetica (Ec) di un corpo di massa m che si muove alla velocità v è data dalla formula: Ec = 1/2mv2 Ad esempio, un motorino di massa 50 Kg che si muove ad una velocità di 36 K/h (cioè 10 m/s) ha una energia cinetica uguale a : 1/2*50 Kg *(10m/s)2= 2500J
|
Qualunque corpo si trovi ad
una certa altezza possiede energia potenziale( fig. 7). L'energia
potenziale
(Ep) di un corpo di massa m che si trova alla distanza h dal suolo si ricava con la formula: Ep=m*g*h dove g è l'accelerazione di gravità che corrisponde a 9,8 m/s2. L'energia potenziale di un motorino di massa 50 Kg sospeso in aria a 5 m di altezza dal suolo è: 50*9,8*5=2500J. Non farebbe piacere a nessuno trovarsi su un motorino sospeso in aria a 5 m d'altezza. Eppure quando esso tocca terra possiede la stessa energia di quando si muove alla velocità di 36 k/h ( e nessuno ha paura di trovarsi su un motorino che viaggia alla velocità di 36 Km/h).
|
|
|
Se facciamo bollire dell'acqua in una pentola chiusa da un coperchio, vediamo quest'ultimo sollevarsi sotto la spinta del vapore. Supponiamo che al posto del coperchio ci sia un pistone (fig.8) che possa scorrere verso l'alto: a mano a mano che procede l'ebollizione, il vapore che si forma spinge verso l'alto il pistone. Il vapore compie un lavoro, perchè esercita una forza sul pistone e ne determina lo spostamento. Le macchine a vapore sono basate sul principio che abbiamo accennato e funzionano secondo il seguente schema.:
In entrambi gli esempi considerati il calore si trasforma in lavoro. |
 |
|
Il calore è perciò una forma di energia (energia termica) che può essere trasformata sia in lavoro sia in altre forme di energia. All'acquisto di calore da parte di una sostanza corrisponde sempre un aumento di energia delle sue molecole.Il calore può infatti far salire la temperatura o causare un cambiamento di stato: nel primo caso, le molecole vibrano con maggiore energia se sono allo stato solido oppure si muovono con maggiore energia se sono allo stato liquido o gassoso. Se l'energia cinetica delle molecole di una sostanza aumenta quando si somministra calore, diminuisce quando si sottrae calore. In definitiva il calore posseduto da una sostanza non esprime altro che l'energia di movimento posseduta dalle sue molecole. Ecco perchè il calore è una forma di energia. La parte della fisica che si occupa delle trasformazioni del calore in lavoro e viceversa prende il nome di termodinamica. Essa si fonda su due importanti leggi della fisica chiamate principi della termodinamica. |
|
|
Primo principio della termodinamica Esso afferma che l'energia non si crea nè si distrugge ma si trasforma. Secondo tale principio il lavoro si può trasformare in calore e il calore in lavoro; in particolare se il lavoro viene completamente trasformato in calore , da una certa quantità di lavoro si ottiene sempre la stessa quantità di calore (principio di equivalenza tra lavoro e calore).Per il calore si usa come unità di misura la chilocaloria (simbolo Kcal). |
|
|
La chicaloria (Kcal) è la quantità di calore
necessaria per portare un chilogrammo di acqua da 14,5 a 15,5 °C.
Fu James Joule intorno alla metà del 1800 a dimostrare con una serie di esperienze (fig.8) che una chilocaloria equivale a 4186 joule: 1 Kcal = 4186 J Questo valore si chiama equivalente meccanico del calore |
|
|
Schema del dispositivo ( fig. 9) utilizzato da Joule per dimostrare l'equivalenza tra lavoro e calore.Un recipiente contenete acqua è munito di pale rotanti fissate a un albero con un tamburo.; quest'ultimo posto in rotazione dalla caduta di due pesi, comunica il suo moto alle pale che, ruotando, riscaldano l'acqua per attrito. In base al lavoro compiuto dai due pesi durante la loro caduta e al calore sviluppato nella massa nota di acqua, joule poté calcolare che una quantità di lavoro corrispondente a 4186 joule si trasforma in una quantità di calore corrispondente a 1 chilocaloria. |
|
Secondo principio della termodinamica Il secondo principio della termodinamica stabilisce le modalità con cui il calore si trasforma in lavoro. Esso pone alcune importanti limitazioni:
|
|
|
Le macchine termiche trasformano il calore in lavoro Le macchine termiche sono quei particolari dispositivi che servono a trasformare il calore in lavoro: assorbono energia termica e producono lavoro. Sono esempi: la macchina a vapore, il motore dell'automobile. Si chiama rendimento di una macchina termica il rapporto tra la quantità di calore trasformato in lavoro e il calore assorbito: Rendimento = (calore trasformato in lavoro):(calore assorbito) In base al secondo principio della termodinamica, il rendimento è sempre inferiore a 1
|
|
|
La macchina a vapore |
|
|
Il vapore (fig. 10) entra alternativamente nel cilindro da A e da B. Quando entra in A spinge lo stantuffo verso destra e questo movimento, tramite la combinazione biella-manovella , fa girare la ruota . Quando il pistone è tutto spostato a destra , il vapore entra da B e lo spinge verso sinistra.
|
|
I motori a combustione interna |
|
|
Il motore di un'automobile
trasforma l'energia sviluppata dal carburante che brucia nei cilindri in
energia meccanica e perciò in movimento delle ruote. Il disegno a fianco
mostra le quattro fasi in cui si svolge il funzionamento del motore a
benzina detto anche ( motore a quattro tempi).
|
|
||||||||||||||
