1. un altro modo di risolvere i problemi: lavoro energia potenza la lezione di oggi 2

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Corso di Fisica - Lavoro ed energia Prof. Massimo Masera Corso di Laurea in Chimica e Tecnologia Farmaceutiche Anno Accademico 2011-2012 dalle lezioni del prof. Roberto Cirio Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia 1

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Page 1: 1. Un altro modo di risolvere i problemi: Lavoro Energia Potenza La lezione di oggi 2

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Corso di Fisica- Lavoro ed energia

Prof. Massimo MaseraCorso di Laurea in Chimica e Tecnologia Farmaceutiche

Anno Accademico 2011-2012

dalle lezioni del prof. Roberto CirioCorso di Laurea in Medicina e Chirurgia

Page 2: 1. Un altro modo di risolvere i problemi: Lavoro Energia Potenza La lezione di oggi 2

2

Un altro modo di risolvere i problemi:

• Lavoro

• Energia

• Potenza

La lezione di oggi

Page 3: 1. Un altro modo di risolvere i problemi: Lavoro Energia Potenza La lezione di oggi 2

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Lavoro

Energia cinetica

Forze conservative

Energia potenziale

Conservazione dell’energia meccanica

Page 4: 1. Un altro modo di risolvere i problemi: Lavoro Energia Potenza La lezione di oggi 2

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Le forze, il lavoro e l’energia

Il lavoro è il prodotto di forza per spostamento

Forza e Spostamento sono vettori. Il lavoro è uno scalare.

Se forza e spostamento sono paralleli lavoro massimo

Se forza e spostamento sono ortogonali lavoro nullo

Applico una forza ad un oggetto per spostarlo: Se esercito una forza maggiore, faccio più lavoro Se lo sposto per un tragitto maggiore, faccio più lavoro

L’energia che spendo può venire da molte fonti (chimica, termica, gravitazionale, ...)

q

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Lavoro compiuto da una forza costante

Lavoro: L = Fd

Si misura in (newton) x (metro) = joule (J) Dimensionalmente: L = Fd = (ma)(d) = [M][LT-2][L] = [M][L2][T-2]

L = 0 quando d = 0

In questo esempio: forza e spostamento paralleli

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Quanti joule sono.....Attività Lavoro (J)

Utilizzazione annuale di energia in Italia

1019

Cibo mangiato in media in un giorno

da una persona107

Lampadina da 100 W per 1 minuto 6 103

1 battito del cuore 0.5

Salto di una pulce 10-7

Rottura di un legame di DNA 10-20

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x

yFq

F cosq

F s

en q

Se Forza e Spostamento non sono paralleli

Asse x

dAsse y 0 dy

dθ cos d dx cosθ F Fx

senθ F Fy

dFcosθ dF L xx

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Lavoro negativooo 90θ90 quando 0Fcosθ

0cosθ Fd L

oo 270 o 90θ quando 0Fcosθ

0cosθ Fd L

o270θ90 quando 0Fcosθ

0cosθ Fd L

A spasso con il cane…

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Lavoro nullo e lavoro totale

Nota: se la componente della forza lungo lo spostamento è nulla, il lavoro è nullo

Quindi, se porto una valigia di 30 kg, anche se cammino per 1 km,il lavoro che faccio è zero !

n21totale L ... L L L

Se su un corpo agiscono più forze (F1, F2, ..., Fn)

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w

x

y

EsercizioUn’automobile di massa m = 850 kg scende in folle lungo una strada inclinata

di un angolo q = 20o rispetto all’orizzontale. Se l’aria esercita una forza costante di 1.5 kN in direzione opposta al moto e l’auto percorre una distanza

d = 2.0 km, qual è il lavoro totale fatto sull’auto ?

x

y N

x

y

d

x

y

faria

w sen q

w c

os q

MJ 2.7 J 102.7 6

0 d Asse y 0 L

dsenθ mg f- L aria Asse x

m 102.0)20(sen )ms (9.8kg) (850 N 101.5 (- 3o-23

N

w

faria

d

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Lavoro

Energia cinetica

Forze conservative

Energia potenziale

Conservazione dell’energia meccanica

Page 12: 1. Un altro modo di risolvere i problemi: Lavoro Energia Potenza La lezione di oggi 2

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Energia

cinetica

Teorema delle forze vive

2mv2

1 K

E’ uno scalareSi misura in jouleE’ sempre ≥ 0

2iniziale

2finaletotale mv

2

1 - mv

2

1 K L

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Teorema delle forze vive Consideriamo il caso di una forza costante parallela

allo spostamento.

Per uno spostamento s, la velocità finale è

da cui si ricava l’accelerazione:

Il lavoro vale:

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Calcolo del lavoro per una forza generica

Piano (F – d)

•Asse x: spostamento (d)

•Asse y: forza (F)

Area = Fd = L

2

Forze

costanti

Forza variabile approssimata con n forze costanti

4

Forze

costantiF1(x1-0)

F2 (x2 –x1)F3(x3 –x2)

F4(x4–x3)

2

1

)(x

x

dxxFL

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Forza elastica

F = kx

Il lavoro della forza elastica

y = kx

Area = L = ½ xy = ½ x(kx) = ½ kx2

L

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Il lavoro della forza elastica

Un blocco è collegato a una molla compressa

La molla si espande e spinge il blocco

Forza e velocità ( spostamento)

hanno lo stesso verso

Il lavoro fatto dalla forza elastica sul blocco > 0 Kfinale > Kinizale

Un blocco si muove con velocità v e comprime una molla

La molla si comprime e rallenta il blocco

Forza e velocità ( spostamento)

hanno verso opposto

Il lavoro fatto dalla forza elastica sul blocco < 0 Kfinale < Kinizale

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Potenza E’ uno scalare

Unità di misura SI: watt (W) = joule/s

Dimensionalmente: newton: [M][L][T-2] joule: newton x [L] = [M][L2][T-2] watt: joule x [T-1] = [M][L2][T-3]

Se forza e velocità sono paralleli: P=Fv (dove F e v sono le componenti di forza e velocità nella direzione e verso del moto)

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Soluzione

J 2300 )(3.0m)ms kg)(9.8 (80mgh Δh wΔh F L -2

W120 s 20.0

J 2300

t

L P

lavoro fatto da una persona di m = 80 kg

per salire un piano di scale con dislivello = 3.0 m

potenza sviluppata,

se le scale sono salite in t = 20.0 s

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Lavoro

Energia cinetica

Forze conservative

Energia potenziale

Conservazione dell’energia meccanica

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Forze conservative e non conservativeLa gravità è

una forza conservativa

=il lavoro fatto dalla persona

viene restituito

dalla gravità

L’attrito è una forza non

conservativa=

il lavoro fatto dalla persona

non viene restituito

dall’attrito

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Forze conservative e non conservative

Il lavoro compiuto contro una forza conservativa può

essere utilizzato sotto forma di energia cinetica

sì no

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La forza gravitazionale è conservativa

L=0

L=0

L= - mghL=mgh

montagne russe

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L’attrito è una forza non conservativa

Vista dall’alto

L= - mkmgd

L= - mkmgd

L= - mkmgd

L= - mkmgd

Il lavoro dipende dal percorso scelto. Se si andasse da A a B procedendo a zig-zag il lavoro sarebbe maggiore perché si farebbe più strada

Page 25: 1. Un altro modo di risolvere i problemi: Lavoro Energia Potenza La lezione di oggi 2

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Una forza conservativa applicata lungo un percorso chiuso

compie un lavoro totale nulloL1

L2

L3

0LL 21

0LL 31 32 LL

Il lavoro fatto da una forza conservativa è indipendente dal percorso

Page 26: 1. Un altro modo di risolvere i problemi: Lavoro Energia Potenza La lezione di oggi 2

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Lavoro

Energia cinetica

Forze conservative

Energia potenziale

Conservazione dell’energia meccanica

Page 27: 1. Un altro modo di risolvere i problemi: Lavoro Energia Potenza La lezione di oggi 2

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L’energia potenzialeE’ l’energia che viene immagazzinata da un corpo quando su di

esso viene fatto del lavoro meccanico contro una forza conservativa

Quando una forza conservativa compie lavoro su un corpo,

la sua (del corpo) energia potenziale varia della quantità -DU

Nota: il segno negativo indica che il lavoro compiuto dalla forza conservativa si traduce in una

diminuzione dell’energia potenziale

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Energia potenziale gravitazionale

Per andare da 0 a y ho dovuto compiere un lavoro L

contro la forza di gravità

La persona si tuffa e la gravità compie su di lei un

lavoro= 0

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Energia potenziale gravitazionale

Ufinale ha un valore arbitrario pongo Ufinale

= 0

mgyL

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Energia potenziale elastica

L’energia potenziale elastica è sempre > 0

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Lavoro

Energia cinetica

Forze conservative

Energia potenziale

Conservazione dell’energia meccanica

Page 32: 1. Un altro modo di risolvere i problemi: Lavoro Energia Potenza La lezione di oggi 2

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Conservazione dell’energia meccanica

U-KL totale

finaleinizialeinizialefinale UUKK

inizialeinizialefinalefinale UKUK

Definisco l’energia

meccanica

KUE

inizialefinale EE

In un sistema in cui operano solo forze conservative, l’energia meccanica si

conservaNota: questa è una delle leggi di conservazione fondamentali !

Page 33: 1. Un altro modo di risolvere i problemi: Lavoro Energia Potenza La lezione di oggi 2

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Conservazione dell’energia meccanica nel campo gravitazionale

inizialeinizialefinalefinale UKUK

mghmv2

1 2

2ghv

orig

ine

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Conservazione dell’energia meccanica nel campo gravitazionale

inizialeinizialefinalefinale UKUK

0mghmv2

1 2

2ghv

ori

gin

e

Page 35: 1. Un altro modo di risolvere i problemi: Lavoro Energia Potenza La lezione di oggi 2

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Linee equipotenziali (o curve di livello)

Sono il luogo dei

punti che hanno

uguale potenziale

Page 36: 1. Un altro modo di risolvere i problemi: Lavoro Energia Potenza La lezione di oggi 2

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La molla orizzontalex=A K=1/2 mv2=0 Uel=1/2kx2=1/k2A2

x=0 K=1/2 mv2

Uel=1/2kx2=0

x=-A K=1/2 mv2=0 Uel=1/2kx2=1/2kA2

x=0 K=1/2 mv2

Uel=1/2kx2=0…

gravgrav UU A xelAx0 xel0x UK UK

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prima dopo

x

Molla verticaleUn blocco di massa m = 1.70 kg è appoggiato su una molla di costante elastica k = 955 N/m. Inizialmente la molla è compressa di 4.60 cm e il blocco è fermo. Quando il blocco viene rilasciato, accelera verso l’alto. Calcolare il modulo della velocità quando la molla passa per la posizione di riposo della molla (scarica elongazione nulla) .

inizialeinizialefinalefinale UKUK

mgx) kx2

1(0)00(mv

2

1 22

2gx-m

kxv

2

x

O

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Pendolo semplice

T

mg

B

A

Un pendolo è costituito da una sfera di massa m appesa a una corda di massa trascurabile di lunghezza L. La sfera è lasciata cadere dal punto A a partire dalla quiete. Si calcoli la velocità in B, trascurando gli attriti

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Pendolo semplice

T

mg

B

A

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Pendolo semplice

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Lavoro ed energia permettono la semplicerisoluzione di molti problemi

La conservazione dell’energia meccanicaè una legge fondamentale della fisica

Prossima lezione: Gli urti e quantità di moto

RiassumendoL1

L2

L3