Lavoro con F e s paralleli
Il lavoro è un concetto importante in fisica che mette in relazione forze, spostamenti ed energia.
Consideriamo un corpo di forma rettangolare su un piano orizzontale e trascinato da una forza F costante con direzione parallela al piano di appoggio: essa provoca degli spostamenti s nella stessa direzione e verso della forza.
Si definisce lavoro della forza F il prodotto dell’ intensità della forza per il modulo dello spostamento s:
L = F · s
Il lavoro è una grandezza scalare e la sua unità di misura è il Joule (J), il cui valore unitario equivale al lavoro fatto da una forza di 1 Newton (N) per lo spostamento di 1 metro(m).
Lavoro con F e s perpendicolari
Nel caso in cui la forza applicata sia perpendicolare alla direzione degli spostamenti, il lavoro compiuto da essa è nullo:
L = 0
Lavoro con Forza e Spostamento comunque inclinati
Si consideri il caso in cui la forza applicata al corpo sia inclinata rispetto all’orizzontale di un angolo α.
Il lavoro è determinato dal prodotto della componente della forza lungo la direzione dello spostamento Fp per lo spostamento s:
L = Fp · s
L = F · s · cos α
Componente di F lungo la direzione di s
Quando la forza F (o la sua componente Fp) agisce nella stessa direzione e verso dello spostamento, il lavoro è positivo.
Quando la forza F (o la sua componente Fp) agisce nel verso opposto a quello dello spostamento, il lavoro è negativo.
L = – F · s
Si possono distinguere i seguenti casi :
- Se α = 0° si ha il primo caso con L = F · S > 0
- Se α = 90° il lavoro come abbiamo visto è nullo
- Se α = 180° si ha il primo caso con L = – F · S < 0
- Se 0 < α < 90° il lavoro è positivo
- Se 90° < α < 180° il lavoro è negativo
Lavoro motore e Lavoro resistente
Quando il lavoro ha valore positivo, si definisce lavoro attivo o lavoro motore e la forza si dice attiva o motrice.
Quando il lavoro ha valore negativo, si definisce lavoro resistente e tutte le forze che si oppongono al moto del corpo si dicono resistenti o passive.
Interpretazione grafica del Lavoro
In tutti i casi esaminati è stata ipotizzata una forza costante. Se si pone il valore della forza sull’asse delle ordinate e il valore degli spostamenti sull’asse delle ascisse, è facile constatare che il lavoro è rappresentato dall’area del rettangolo sotteso dalla segmento rappresentativo della forza.
Interpretazione grafica del lavoro
Anche nel caso in cui le forze non siano costanti, si dimostra comunque la validità dell’intepretazione grafica vista prima nel diagramma F-s; anche in questo caso infatti, l’area sottesa dal grafico della forza F equivale al lavoro compiuto da essa:
Lavoro con forza variabile
La potenza
In fisica la potenza (una maggiore potenza) è legata alla capacità di una forza di compiere lavoro L nel più breve tempo possibile.
Più esattamente si definisce potenza il rapporto fra lavoro e tempo:
P = L / t
L’unità di misura della potenza è il Watt ( W ): un watt è uguale al lavoro di un joule realizzato in un secondo.
Per indicare la potenza è ancora usato il cavallo vapore:
1 CV = 735 W = 0,735 kW
Sostituendo nella formula della potenza la definizione del lavoro e ricordando che spazio su tempo è la velocità ( v ), si ottiene:
P = F × v
Bisogna tener presente che si può svolgere molto lavoro (cioè consumare o produrre energia) anche sviluppando poca potenza. Ciò infatti dipende dalla durata del processo. Ad esempio in una gara di maratona si consuma più energia rispetto ad una gara di cento metri piani; ma certamente la potenza che deve sviluppare il centometrista è enormemente superiore a quella del maratoneta.
Allo stesso modo una lampadina da 100 W consuma un decimo di una stufetta (o di un altro elettrodomestico) da 1000 W, ma se utilizziamo la stufetta per un’ora e lasciamo accesa la lampadina per 24 ore, alla fine la stufetta avrà consumato solo 1 chilowattora mentre la lampadina ne avrà consumati ben 2,4 (il chilowattora è un’unità di misura tollerata di energia, non di potenza).