Raiti Francesca

Relazione di fisica

IL LAVORO &

L’ENERGIA

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!