Fisica per le superiori/Lavoro ed Energia

Nel corso della storia gli uomini hanno inventato diversi tipi di macchine per sollevare, spostare e mettere in movimento gli oggetti.

In tutte le macchine vi sono forze che producono spostamenti. Una nuova grandezza, il lavoro di una forza, misura l'effetto utile della combinazione di una forza con uno spostamento.

Forza e spostamento paralleli

Il caso più semplice è quello in cui il vettore forza è parallelo al vettore spostamento: i due vettori hanno stessa direzione e stesso verso.

Definizione

Se la forza e lo spostamento sono paralleli, si definisce il lavoro come: $L=Fs$

Per esempio, un motore di ascensore che esercita una forza di 2000 N mentre solleva la cabina di 6 m compie un lavoro.

L = (2000 N) * (6 m) = 12000 N*m

Nel Sistema Internazionale l'unità di misura del lavoro è il newton per metro (N*m). Questa unità di misura è detta anche joule (J):

1 J = (1 N) * (1 m)

Definizione

Un joule è il lavoro compiuto da una forza di un newton quando il suo punto di applicazione si sposta di un metro (nella direzione e nel verso della forza).

Puoi eseguire un lavoro pari a 1 J sollevando di un metro un corpo che pesa 1 N. Così, se afferri, un panetto di burro da 1 hg e lo sollevi di 1 m compi il lavoro di circa 1 J.

Quando i vettori forza e spostamento sono paralleli, la forza mette o mantiene in movimento il corpo su cui è applicata. In questo caso il lavoro della forza è positivo ed è detto lavoro motore.

Forza e spostamento antiparalleli

Un altro caso molto comune è quello in cui i vettori forza e spostamento hanno la stessa direzione ma versi opposti.

Definizione

Se la forza e lo spostamento sono antiparalleli, il lavoro è dato dalla formula: $L=-Fs$

Il segno meno è introdotto per descrivere il fatto che, quando forza e spostamento hanno versi opposti, la forza agisce in modo da opporsi al moto del corpo. Si dice che la forza compie un lavoro resistente.

Così, la mano che indossa un guantone da baseball compie un lavoro negativo per fermare la palla. Per esempio, una palla che si muove verso sinistra con una velocità di 24 m/s (86 km/h) può essere fermata da una forza (rivolta verso destra) di 400 N mentre la mano accompagna la palla per 10 cm. Il lavoro compiuto dalla mano è:

L = - (400 N) * (0,10 m) = - 40 J

Forza e spostamento perpendicolari

Considera un carrello che si muove senza attrito su un binario orizzontale. Sul carrello agisce la forza-peso, che è rivolta verso il basso e, quindi, risulta perpendicolare allo spostamento (orizzontale) del carrello. In questa situazione la forza non influenza in alcun modo lo spostamento (non lo asseconda ma non lo ostacola neppure).

Nel caso di forza e spostamento perpendicolari il lavoro è nullo:

L = 0