Il lavoro, le trasformazioni di energia e l'energia meccanica

L'energia e il lavoro

L'energia viene definita come la capacità di compiere un lavoro. Il lavoro è una grandezza fisica che viene definita come il prodotto di una forza per lo spostamento nella direzione della forza stessa. Il lavoro è espresso dalla formula:

$L=F \times s$

Nel Sistema Internazionale (SI) l'unità di misura del lavoro è il joule ( $J$ ) ed è pari al lavoro che compie la forza di $1N$ per spostare un corpo di $1m$ :

$1J=1N \times 1m$

Il lavoro non è una grandezza che dipende dal tempo. La grandezza che esprime quanto lavoro viene svolto in un certo intervallo di tempo è la potenza ( $P$ ). La potenza è definita come il rapporto tra il lavoro effettuato e il tempo:

$P=L/t$

e nel SI si misura in watt ( $W$ ), dove $1W=1J/s$ .

Nota bene: il lavoro può essere anche negativo, quando per esempio c'è una forza resistente diretta nella direzione opposta allo spostamento, come nel caso della forza d'attrito.

Le forme e le trasformazioni di energia

L'energia si presenta sotto diverse forme:

energia termica, dovuta all'agitazione delle particelle di un corpo;
energia elettrica, dovuta al movimento delle cariche elettriche;
energia chimica, immagazzinata nei legami chimici delle sostanze;
energia elettromagnetica, trasportata dalle radiazioni elettromagnetiche;
energia nucleare, accumulata all'interno dei nuclei degli atomi.

Il principio di conservazione dell'energia afferma che l'energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma da una forma all'altra. Per esempio i motori delle automobili trasformano l'energia chimica contenuta nelle molecole della benzina in energia meccanica che fa muovere l'automobile.

Esistono diverse fonti di energia. Le possiamo classificare in due categorie:

le fonti rinnovabili, che si riformano in tempi brevi o che sono sempre disponibili;
le fonti non rinnovabili, che non si riformano in tempi brevi e che una volta esaurite non sono più disponibili.

La maggior parte dell'energia oggi utilizzata nel mondo viene ricavata dai combustibili fossili (carbone, gas e petrolio) che sono fonti di energia non rinnovabili. Esempi di fonti rinnovabili di energia sono l'energia eolica, quella geotermica e quella solare.

L'energia meccanica

L'energia meccanica è l'energia associata alla posizione di un corpo o al suo movimento. Distinguiamo l'energia potenziale e l'energia cinetica.

L'energia potenziale ( $E_p$ ) è la capacità di un corpo di compiere un lavoro in funzione della sua posizione. Per un corpo di massa $m$ che si trova ad un'altezza dal suolo $h$ , l'energia potenziale è data dalla formula:

E_p=m\times g\times h

m

: è la massa del corpo

h

: è l'altezza dal suolo

g

: è l'accelerazione di gravità

L'energia cinetica ( $E_c$ ) di un corpo in movimento dipende dalla sua massa $m$ e dalla sua velocità $v$ . La formula dell'energia cinetica è:

E_c=1/2 \ m\times v^2

m

: è la massa del corpo

v

: la velocità

L'energia meccanica ( $E_m$ ) di un corpo è data dalla somma della sua energia cinetica e della sua energia potenziale:

$E_m=E_c+E_p$

Il principio di conservazione dell'energia meccanica afferma che in assenza di attrito l'energia meccanica di un corpo non cambia:

$E_m=E_c+E_p=costante$

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Immaginiamo di tenere in mano una pallina. La pallina è ferma e la sua energia cinetica è nulla. La sua energia potenziale invece è massima. Se lasciamo cadere la pallina, essa acquista velocità e la sua energia cinetica aumenta. La sua energia potenziale invece diminuisce perché l'altezza dal suolo diminuisce. Quando la pallina arriva al suolo, raggiunge la velocità massima e quindi la sua energia cinetica è massima. L'energia potenziale invece è nulla perché la distanza dal suolo è nulla. Quindi durante la caduta, l'energia potenziale della pallina diminuisce perché si trasforma in energia cinetica, mentre l'energia cinetica, al contrario, aumenta.