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IL LAVORO E L’ENERGIA
Cos’è il lavoro
Definizione etica
Definizione fisica
Qual è l’unità di misura del lavoro
Vari tipi di combinazioni tra forza e spostamento
Cos’è l’energia
Le fonti di energia rinnovabili ed esauribili
PROGRAMMAZIONE
I. Prima fase: descrivere il concetto di lavoro nella realtà quotidiana e
illustrarne il legame con la definizione fisica che lo identifica come
prodotto tra forza e spostamento
II. Seconda fare: mostrare la nuova unità di misura (il joule) sia come
prodotto tra newton e metri che come prodotto tra massa per il
quadrato della velocità
III. Terza fase: esporre gli effetti e delle combinazioni tra forze e spostamenti
(paralleli, antiparalleli, perpendicolari e come forza costante) e, essendo
vettori, anche il loro prodotto scalare
IV. Quarta fase: trattare della formula goniometrica del lavoro
introducendo l’angolo α che si forma tra il vettore della forza e quello
dello spostamento
V. Quinta fase: definire il concetto di energia e citarne i vari tipi
VI. Sesta fase: discutere delle fonti di energia rinnovabili e non rinnovabili
integrando l’argomento dell’importanza del rispetto per l’ambiente e
per la natura
VII. Settima fase: considerazioni personali a riguardo
Il lavoro
Che cos’è?
Nel linguaggio comune, attribuiamo la parola “lavoro” ad azioni
che comportano dei risultati. Attraverso la gestione e il controllo
della propria forza, un uomo compie un lavoro.
È simultaneo al movimento e ad un trasferimento di energia che
causa una trasformazione.
In fisica, questo termine, è stato primordialmente introdotto dal francese
matematico, fisico e ingegnere meccanico Gaspard Gustave de Coriolis
(1826).
Il lavoro mette in relazione la forza e lo spostamento (vale a dire un
cambiamento di posizione) ed entrambi sono vettori.
L’unità di misura
Per misurare un lavoro, si adopera il joule.
Nel Sistema Internazionale, il joule è:
il prodotto tra newton e metri
1J = 1N ∙ 1m
Es: Sollevando una scatola da 1kg per un’altezza di 1 metro si compie un
lavoro pari ad 1J
il prodotto tra la massa e il quadrato di una velocità
1J = 1kg ∙ 1(m/s)²
Es: Un auto che pesa 1000 kg e che corre a 5 m/s compie un lavoro pari
a 25000J
Il nome deriva dal fisico, chimico e produttore di birra britannico
James Prescott Joule che si interessò per tutta la sua vita al calore
indagandone gli effetti sia nella termodinamica sia
nell’elettromagnetismo.
Difatti il joule è anche l’unità di misura dell’energia e del calore (assieme alla
caloria)
Si distinguono tre diversi casi di lavoro a seconda dell’effetto della
combinazione della forza e dello spostamento.
Forza e spostamento paralleli
I due vettori hanno la stessa direzione e lo stesso verso e angolo = 0°
In questo caso, la formula del lavoro è:
W = F ∙ s lavoro = forza ∙ spostamento
Esempio: in un supermercato, spingendo un carrello per 10m
e applicando una forza di 2N, quanto lavoro si compie?
W = Fs W = 2 ∙ 10 = 20J
Qui, il lavoro, è chiamato lavoro motore, perché la forza mantiene o mette in
movimento il corpo su cui è applicata causando risultati positivi.
Forza e spostamento antiparalleli
I due vettori hanno la stessa direzione ma verso opposto e angolo = 180°
In questo caso, la formula del lavoro è:
W = - F ∙ s
lavoro = - forza ∙ spostamento
Esempio: un calciatore tira in porta una palla e il portiere la para
con una forza di 10N indietreggiando con le mani di 20cm,
quanto lavoro compie il portiere?
W = - Fs W = - 10 ∙ 0,20 = - 2J
Qui, il lavoro, è chiamato lavoro resistente, perché la forza si oppone al
movimento del corpo causando risultati negativi.
Forza e spostamento perpendicolari
I due vettori sono perpendicolari quindi hanno angolo = 90°
In questo caso la formula del lavoro è:
W = 0
Esempio: su una macchinina radiocomandata che sfreccia
orizzontalmente agisce la sua forza peso che è 800g, quanto
lavoro compie il giocattolo?
W = 0 perché la forza peso (che è perpendicolare allo
spostamento) non favorisce né ostacola la corsa della
macchinina.
Qui, il lavoro, è chiamato lavoro nullo, perché non sono presenti conseguenze
né positive né negative.
Forza costante
I due vettori hanno direzioni diverse e si prendono in considerazione le
componenti della forza.
In questo caso la formula del lavoro è:
W = F// ∙ s (il segno dipende dal verso che sia uguale o opposto)
Esempio: trascinando uno slittino orizzontalmente per un tratto
di 10m con una forza di 80N inclinata di 45° dal suolo, quanto
lavoro si compie?
W = F// ∙ s = (80: √2) ∙ 10 = 57 ∙ 10 = 570J
La formula come prodotto scalare
Poiché forza e spostamento sono vettori, la formula del lavoro può identificarsi
anche in un prodotto scalare che è il prodotto del modulo di uno dei due
vettori per la componente dell’altro lungo il primo.
La formula goniometrica
Quando si conosce l’angolo formato dai due vettori, si può sfruttare la
formula goniometrica:
W = F ∙ s ∙ cos α
lavoro = forza ∙ spostamento ∙ coseno dell’angolo
La tabella seguente fornisce i valori del coseno di alcuni angoli:
Angolo Coseno
0° 1
30° √3/2
45° √2/2
60° ½
90° 0
180° -1
270° 0
L’energia
Che cos’è?
Abbiamo visto come il movimento sia simultaneo al lavoro, e quando si lavora
si vive, se si vive c’è energia. L’energia è vita.
Il termine deriva dal greco ενεργεια (= capacità di agire) ed è stato introdotto
da Aristotele in campo filosofico.
Il concetto di energia è contemporaneamente semplice e sfuggente: la sua
semplicità è dovuta al fatto che è il motore stesso dell'esistenza del mondo, la
sua sfuggevolezza sta nei molti modi in cui può essere definita; infatti è dotato
di una moltitudine di definizioni che dipendono dal modo in cui l’energia si
manifesta e dalla tipologia a cui appartiene, che può essere.
Tipi di energia
meccanica (energia potenziale + energia cinetica)
chimica
elettromagnetica
termica
nucleare
La fisica si occupa soprattutto del primo genere ma, se la fisica classica la
definisce come proprietà scalare continua, la fisica quantistica,
quantizzandola, la limita ad un numero discreto di valori.
Fonti di energia rinnovabili ed esauribili
Le fonti energetiche sono delle sorgenti di energia, tutto ciò che è capace di
fornire energia per eseguire un lavoro, produrre calore o per altre svariate
utilità. Tante sono le varie fonti di energia e le si suddivide in rinnovabili e non
rinnovabili.
Le fonti non rinnovabili
Le fonti non rinnovabili sono materie prime che, essendo relativamente facili
da ricavare nel sottosuolo, sono le più sfruttate dall’uomo, ma sono anche
esauribili e molto inquinanti; sono composte da:
I combustibili fossili (carbone, petrolio e gas naturale)
Il combustibile nucleare ovvero l’uranio
I combustibili fossili sono prodotti dalla decomposizione di sostanze
organiche. Attualmente, l’energia che utilizziamo di più proviene da essi,
però, questi, durante la combustione, emettono delle sostanze inquinanti che
possono provocare danni all’ambiente e alla salute umana.
L’uranio è un elemento radioattivo che, nel 1938, gli scienziati tedeschi Otto
Hahn e Fritz Strassmann scoprirono di poterne dividere l’atomo.
FONTI NON RINNOVABILI FONTI RINNOVABILI
CARBONE PETROLIO GAS NATURALE
Quando quest’atomo viene bombardato con un
neutrone, il suo nucleo si spezza in due e da questa
reazione, detta fissione nucleare, si liberano altri neutroni
che vanno a colpire gli altri atomi creando una reazione a
catena, rilasciando grandi quantità di energia e di calore
ma emettendo vari tipi di radiazioni.
Le fonti rinnovabili
Le fonti di energia rinnovabili corrispondono alle forme di energia “pulita”,
possiedono la caratteristica di rigenerarsi.
Fonti rinnovabili Energie rinnovabili
Sole Solare
Vento Eolica
Magma Geotermica
Acqua Idroelettrica
Maree Mareomotrice
Biomassa Agro energia
Produzione di energia rinnovabile in Italia per regione (2009)
Fonte: GSE - Gestore Servizi Energetici
Regione %
Lombardia 17,4%
Trentino-Alto Adige 14,6%
Piemonte 11,4%
Toscana 9,3%
Veneto 7.1%
Valle d'Aosta 4,6%
Calabria 4,5%
Puglia 3,9%
Emilia-Romagna 3.8%
Campania 3,3%
Friuli-Venezia Giulia 3,3%
Sicilia 2,4%
Lazio 2,2%
Sardegna 2,2%
Umbria 2,2%
Basilicata 1,4%
Marche 1,2%
Molise 1,0%
Liguria 0,6%
L’energia solare è l’energia fornita dal sole, che emana un’incredibile
quantità di forza luminosa e calore. È una fonte disponibile in quantità
illimitata (non si esaurirà infatti prima di 5 miliardi di anni); ci sono tre metodi
per “catturare” l’energia solare:
Pannelli solari
Celle fotovoltaiche
Specchi solari
L’energia eolica non è in realtà del tutto originale e
innovativa, bensì era già sfruttata nell’antichità dal 600
A. C. con i famosi mulini a vento, nati in Persia (attuale
Iran), per poter produrre la farina; questo tipo di
energia, può essere sfruttata solo in particolari zone,
dove il vento è molto frequente e la sua direzione e
intensità siano abbastanza costanti e regolari, con la
velocità di almeno 12 km/h ed è per queste esigenze, che l’energia eolica è
molto limitata. L’energia si ricava dalle pale eoliche, una serie di aero-
generatori collegati elettricamente tra di loro. Le eliche degli aero-generatori,
girando grazie alla potenza del vento, mettono in movimento l’alternatore.
Gli ambientalisti, però, non sono d’accordo con questa forma di energia
rinnovabile, perché sostengono che le centrali eoliche potrebbero rallentare i
venti e di conseguenza modificare le condizioni climatiche e questo,
accompagnato dal fatto che gli aero-generatori provocano un fastidioso
rumore, influisce negativamente su alcune specie di animali, specialmente
uccelli migratori.
L’energia geotermica nasce dalle temperature elevatissime nel
cuore della terra, il magma, infiltratosi nelle spaccature della crosta
terrestre, può salire in superficie scaldando le falde acquifere che
emarginano sottoforma di geyser, soffioni e fumarole.
L’energia geotermica, però, può essere sfruttata solo in
particolari zone della terra, la più famosa è l’Islanda, mentre in
Italia, sino ad ora, quest’energia viene sfruttata solo a
Lardello, in Toscana, dove dal 1904 il vapore dei soffioni viene
convertito in elettricità.
L’energia idroelettrica, in Italia, garantisce il 15% del fabbisogno energetico; la
trasformazione dell’energia cinetica dell’acqua in energia elettrica avviene
nelle centrali idroelettriche, che possono essere realizzate:
In pianura, poste nei pressi dei fiumi e costituite da una diga
In montagna, costituite da un bacino artificiale, dalle tubazioni e dalla
centrale stessa
Le antiche centrali idroelettriche Esterle e Taccani nei pressi del fiume Adda.
Curiosità: La prima diga idroelettrica al mondo fu realizzata sul
fiume del Wisconsin, nel 1882. La centrale più grande
del mondo è invece quella delle Tre Gole, in Cina,
che presenta 26 generatori elettrici e un bacino
lungo quasi 600 km!
L’energia mareomotrice sfrutta il diverso livello dell’alta e bassa marea, le
centrali mareomotrici, però, non sono molto diffuse, perché per il corretto
funzionamento, occorre che tale dislivello sia di almeno dieci metri, cosa che
si verifica solo in particolari zone della Terra. La prima centrale fu inaugurata
nel 1966 sul fiume Rance, nel nord della Francia, dove fu costruita una
possente diga di sbarramento sull’estuario del fiume; quando le maree
entrano ed escono, l’acqua defluisce attraverso dei canali fino allo
sbarramento, azionando le turbine che alimentano i generatori di elettricità.
La diga sul fiume Rance
L’agro – energia, o energia delle biomasse, si ricava appunto dalla biomassa,
ovvero l’insieme dei prodotti che derivano da organismi animali e vegetali e
perciò anche tutti i rifiuti urbani e agricoli. Dalla biomassa si può ottenere
energia in due modi:
Mediante combustione
Dal biogas, che contiene il 65% di metano, ed è prodotto dalla
fermentazione della biomassa.
Curiosità:
dal letame di un suino si può ricavare del
diesel biomassa per le auto e, nel corso della
sua vita, un maiale può produrre fino a
100 litri di diesel!
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