Cos'è il lavoro in fisica: definizione e formule
In fisica, il lavoro può essere definito come l’energia scambiata tra due sistemi, nel momento in cui avviene una forza agisce provocando uno spostamento. Ci indica proprio una variazione di energia che si manifesta nel momento in cui c’è un cambiamento nel punto in cui la forza viene applicata.
Il lavoro è strettamente correlato anche ad altri due elementi:
- la potenza: è il rapporto tra il lavoro compiuto e l’intervallo di tempo impiegato per compierlo e si misura in watt (W);
- l’energia: è la grandezza fisica che misura la capacità di un corpo di compiere lavoro.
Scopriamo insieme quali sono le definizioni e le formule!
Definizione di lavoro in fisica
Nella storia l’umanità ha inventato un’infinita serie di macchine che potessero sollevare e/o spostare oggetti; ha ideato macchinari che riducessero le difficoltà che incontrava.
In fisica, il lavoro è l’energia scambiata tra due corpi, attraverso l’azione di una forza, quando l’oggetto subisce uno spostamento e la forza ha una componente non nulla nella direzione dello spostamento.
Il lavoro non può essere calcolato sempre allo stesso modo: per le forze costanti, è dato dal prodotto tra la proiezione della forza £$ \vec F $£ sullo spostamento £$ \vec s $£ (o viceversa) per lo spostamento stesso; per le forze non costanti, invece, è uguale all’area sottesa la curva presente nel grafico Forza-Spazio.
La formula per le forze costanti è riassumibile come segue: £$W=F \cdot s \cdot \ cos \alpha $£, dove £$\alpha $£ è l’angolo compreso tra il vettore forza e il vettore spostamento.
Nel caso più semplice, quando l’angolo tra il vettore spostamento e il vettore forza è pari a 0, il lavoro può essere ottenuto con £$W= F \cdot s$£ e si misura in Newton per metro.
L’unità di misura del lavoro è detta Joule (J) che è il lavoro compiuto da una forza di 1 N quando il suo punto di applicazione si sposta di 1 metro (con direzione e verso della forza).
Il lavoro in fisica: un esempio pratico
Un motore che esercita una forza di 1000 N quando solleva un oggetto per 3 metri compie un lavoro di 3000 J.
Ci sono diversi tipi di lavoro:
- lavoro motore £$W= F \cdot s$£ quando i vettori forza e spostamento sono paralleli e hanno la stessa direzione (angolo=0°) £$\alpha = 0° → \cos\alpha = 1$£
- lavoro resistente quando la forza si oppone al moto del corpo (angolo=180°) £$\alpha = 180° → \cos\alpha = -1$£
- lavoro nullo quando forza e spostamento sono perpendicolari (angolo=180°) £$\alpha = 90° → \cos\alpha = 0$£
Attenzione!
Un ragazzo che porta una valigia lungo un percorso orizzontale fa fatica ma compie un lavoro nullo perchè forza e spostamento sono perpendicolari!
Definizione di potenza in fisica
Un lavoro può essere compiuto più velocemente o lentamente: si parla in questi casi di potenza.
La potenza è data dal rapporto tra il lavoro compiuto dal corpo e l’intervallo di tempo impiegato per compiere tale lavoro
£$P=\frac{W}{\Delta(t)}$£
La sua unità di misura è il W (Watt), che è la potenza di un sistema che compie il lavoro di 1 Joule in 1 secondo.
£$1 \text{W}$£=£$\frac{1\text{J}}{1\text{s}}$£
Esempio.
Se sollevi di 1 metro, in 1 secondo, 1 panino di 1 hg di peso, sviluppi la potenza di circa 1 Watt
Un motore di un’automobile sviluppa in media una potenza di £$50000 \text{W}$£. Ma più comunemente per le auto si parla di ”cavalli”. Un cavallo motore equivale a circa £$735 \ \text{W}$£.
Definizione di energia in fisica
Tutti i corpi in movimento possono compiere lavoro.
L’energia è la grandezza fisica che misura la capacità di un corpo di compiere lavoro, a prescindere dal fatto che tale lavoro sia o possa essere effettivamente svolto.
Attenzione!
La parola italiana “energia” non è direttamente derivata dal latino, ma è ripresa nel XV secolo dal francese “énergie”.
In Francia énergie è usato dal XV secolo nel senso di “forza in azione”, con vocabolo direttamente derivato dal latino, mai con significato fisico.
In Inghilterra nel 1599 energy è sinonimo di “forza o vigore di espressione”. Thomas Young è il primo a usare, nel 1807, il termine energy in senso moderno.
Il concetto di energia può emergere intuitivamente dall’osservazione sperimentale che la capacità di un corpo di compiere lavoro diminuisce a mano a mano che questo viene prodotto. In questo senso l’energia può essere definita come una proprietà posseduta dal sistema che può essere scambiata fra i corpi attraverso il lavoro.