Lavoro di una forza

Cosa si intende quando si dice che si è allenati in palestra? Come si misura il lavoro? E come si associano lavoro ed energia? Per rispondere a queste domande, è importante capire la relazione tra lavoro ed energia. In questo articolo esamineremo la definizione di lavoro e la relazione tra lavoro, trasferimento di energia e potenza. Inoltre, ci occuperemo di alcuni esempi che ci aiuteranno a capire come si calcola il lavoro svolto.

Definizione di lavoro di una forza

Si misura nelle stesse unità di misura dell'energia: Joule (J) o Newton per metro (Nm). Quando si compie un lavoro su un oggetto, si trasferisce energia. Il lavoro compiuto è sempre uguale alla quantità di energia trasferita.

Calcolare il lavoro di una forza

Fig. 1 - Lavoro eseguito nello spostamento di un oggetto.

Il lavoro compiuto per spostare un oggetto di una distanza rettilinea \(s\) applicando una forza costante \(F\) è dato dall'equazione:

\[ W = F \:s \] \[Lavoro \: eseguito = forza \times distanza \: percorsa\]

1 J di lavoro viene compiuto quando una forza di 1 N sposta un oggetto di 1 m.

Questa equazione è valida solo se la forza esterna applicata è costante, indipendentemente dall'angolo tra la forza e lo spostamento. È importante evidenziare che in realtà, la moltiplicazione presente nella formula è più correttamente un prodotto scalare e quindi la formula andrebbe riscritta, più in generale come \(W = F \: s \: cos(\alpha)\) dove alpha è l'angolo compreso tra il vettore della forza applicato e lo spostamento dell'oggetto.

Affinché si compia lavoro, è necessario che si verifichi un cambiamento nella posizione di un oggetto. Trattenere un oggetto contro la forza di gravità non significa compiere un lavoro, perché in questo caso non c'è trasferimento di energia, in quanto l'oggetto non si muove di una certa distanza.

Lavoro per sollevare un oggetto

Fig. 2 - Sollevare un oggetto di una certa quantità richiede lavoro.

Il lavoro svolto per sollevare un oggetto viene convertito in energia potenziale gravitazionale. Questa energia è chiamata energia potenziale perché l'oggetto cadrà a terra se il suo supporto viene rimosso, e l'energia verrebbe convertita in energia cinetica. In questo caso, lo spostamento viene misurato come altezza. Il lavoro compiuto per sollevare un oggetto è dato da:

\[ W = mgh \]

\[Lavoro \: compiuto = massa \times forza\: di \:gravità \times altezza\]

Lavoro e attrito

Il lavoro viene spesso svolto per vincere le forze di attrito, che impediscono a un oggetto di muoversi. Pertanto, in questi casi, il lavoro svolto può essere definito anche come l'energia necessaria per vincere le forze di attrito.

1. Forse avete visto come si può accendere un fuoco strofinando insieme due bastoncini di legno. Questo è un esempio di conversione dell'energia cinetica in energia termica. Il lavoro compiuto per sfregare i bastoncini viene convertito in calore a causa dell'attrito.
2. L'attrito può anche essere dovuto alla resistenza dell'aria quando si viaggia ad alta velocità. I satelliti che rientrano nell'atmosfera terrestre si riscaldano a causa dell'attrito dovuto alla resistenza dell'aria. Il potenziale gravitazionale e l'energia cinetica del satellite in caduta viene rapidamente convertito in energia termica.

Potenza

Ora che abbiamo una buona comprensione di cosa sia il lavoro, possiamo procedere a definire la potenza.

Ogni volta che lo stato di un sistema cambia, l'energia viene trasferita da uno stato all'altro. Vediamo alcuni tipi di trasferimento di energia e qualche esempio:

• Trasferimento di energia meccanica: una freccetta che colpisce una tavola, perde la sua energia cinetica e la converte in energia sonora e termica.

• Trasferimento di energia elettrica: circuiti elettrici nelle vostre case.

• Trasferimento di energia termica: centrali termiche.

La potenza quantifica la velocità con cui queste energie vengono trasferite da una forma all'altra. La potenza dipende dalla quantità di energia trasferita - cioè dal lavoro svolto - e dal tempo necessario per completare il trasferimento di energia.

\[P = \frac{W}{t}\]

o, in altre parole,

\[ Potenza = \frac{Lavoro \: svolto}{Tempo \: impiegato}\]

In questo caso, \(W\) è il lavoro svolto e \(t\) è il tempo in secondi. Una potenza di \(1 W\) significa un trasferimento di energia di \(1 J\) in \(1 s\). La potenza si misura anche in kilowatt (\(10^3\) watt) e megawatt (\(10^6\) watt).