Il lavoro in fisica

Gli uomini hanno inventato molte macchine per sollevare, spostare o mettere in movimento gli oggetti. Il lavoro è l'energia scambiata tra due corpi. Il lavoro di una forza misura l'effetto della combinazione di una forza con uno spostamento. Impara le formule per calcolare il lavoro e la potenza e le loro unità di misura.

Il lavoro in fisica è l'energia scambiata tra due corpi. Può essere lavoro motore, resistente o nullo.

La potenza è il rapporto tra il lavoro compiuto e l'intervallo di tempo impiegato. Si misura in Watt (W).

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Prerequisiti per imparare il lavoro

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). 

Esempio.
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.

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