Energia e lavoro

L'energia è uno dei concetti più importanti e tuttavia ambigui della fisica; Fortunatamente, la relazione tra energia e lavoro può aiutare nella comprensione di molti problemi di fisica.

L'energia, in particolare l'energia meccanica, è spesso definita come la capacità di svolgere un lavoro, cioè di esercitare una forza netta su un oggetto facendolo spostare di una certa distanza. L'energia meccanica può presentarsi sotto forma di energia dipendente dalla posizione, denominata energia potenziale, ed energia dipendente dal movimento, chiamata energia cinetica. Mentre l'energia potenziale e cinetica di un oggetto possono essere convertite l'una nell'altra, la legge di conservazione dell'energia impone che l'energia totale di un sistema isolato rimanga costante.

Questo video introdurrà il principio dell'energia del lavoro, discuterà i concetti di energie cinetiche e potenziali e utilizzerà la legge di conservazione dell'energia per mettere in relazione queste energie in un esperimento che coinvolge alianti che scivolano lungo una pista.

Sebbene esistano numerosi tipi di energia, l'energia meccanica illustra più chiaramente l'idea che l'energia è la capacità di svolgere un lavoro. Uno di questi esempi è quando una palla di cannone vola contro un muro di mattoni.

In questo caso, un corpo, la palla di cannone, lavora su un oggetto, il muro, esercitando una forza netta e facendo muovere l'oggetto di una certa distanza. Il lavoro è definito come il prodotto scalare della forza applicata e della distanza percorsa. Questa forza applicata deve essere nella direzione dello spostamento affinché il lavoro possa essere eseguito, cioè solo la componente della forza parallela allo spostamento può svolgere il lavoro.

Ora, possiamo mettere in relazione il lavoro con l'energia meccanica, che è costituita da energia cinetica ed energia potenziale. Un corpo in movimento da un luogo all'altro, come la palla di cannone, ha un'energia cinetica traslazionale e la capacità di svolgere un lavoro.

Supponiamo di accelerare la palla di cannone da una velocità iniziale di vi a una velocità finale di vf - un processo governato da un'equazione della cinematica. Questo evento richiede una forza netta costante, guidata dalla seconda legge di Newton, da applicare su una certa distanza. Combinando le due equazioni, e notando che l'energia cinetica traslazionale è definita come ?mv2, è chiaro che il lavoro svolto sulla palla di cannone, che è Fnet per D, è uguale alla differenza tra l'energia cinetica finale e quella iniziale. Questo è il principio lavoro-energia.

Quando si tratta di energia potenziale, un masso sul bordo di una scogliera ha una grande energia potenziale gravitazionale. Al momento del rilascio, ha il potenziale per svolgere lavori sul campo. Questo potenziale lavoro dipende dalla massa del masso, dall'accelerazione dovuta alla gravità e dall'altezza della caduta. E questo lavoro è uguale all'energia potenziale prima della caduta, o Pi greco.

Secondo la legge della conversazione, l'energia può essere convertita durante un evento, ma l'energia totale del sistema deve rimanere la stessa. Pertanto, la somma delle energie potenziali e cinetiche iniziali deve essere uguale alla somma delle energie finali. La velocità iniziale e l'energia cinetica del masso sono pari a zero, mentre la sua altezza finale e l'energia potenziale sono anch'esse pari a zero. Pertanto, l'energia potenziale gravitazionale iniziale è uguale all'energia cinetica traslazionale finale. Utilizzando le nostre equazioni precedenti, è possibile tracciare una serie di relazioni tra velocità, altezza, massa ed energia.

Ora che hai appreso il principio dell'energia lavorativa e la legge di conservazione dell'energia, vediamo come questi concetti possono essere applicati a un esperimento che coinvolge l'energia meccanica.

Questo esperimento consiste in un sensore di velocità, una pista d'aria, alcuni blocchi di alluminio identici, un aliante, alcuni pesi che possono essere aggiunti all'aliante, una bilancia, un'alimentazione d'aria e un righello.

Posiziona l'aliante sulla bilancia e registra la sua massa. Collegare l'alimentazione dell'aria al binario dell'aria e accenderlo Misurare l'altezza di uno dei blocchi di alluminio e registrarla nel quaderno da laboratorio. Posizionare il blocco di alluminio sotto il piede della pista dell'aria che si trova più vicino all'alimentazione dell'aria. Questa sarà la configurazione di altezza più bassa.

Posizionare l'aliante nella sua posizione iniziale e rilasciarlo dal riposo. Utilizzando il sensore di velocità, registra la velocità dell'aliante mentre passa la posizione finale sulla pista. Ripetere questa procedura cinque volte e calcolare la velocità media.

Posizionare un blocco di alluminio aggiuntivo sotto la pista dell'aria aumentando la configurazione dell'altezza. Misura la differenza tra hi e hf come prima e verifica che sia il doppio dell'altezza di un blocco di alluminio. Ripetere la serie di misurazioni della velocità per questa configurazione di altezza.

Posiziona un blocco di alluminio finale sotto la pista dell'aria, supponendo che la differenza di altezza sia ora tre volte l'altezza del blocco e ripeti le misurazioni della velocità. Quindi, posiziona alcuni pesi per aumentare la massa dell'aliante, quindi ripeti l'esperimento per misurare le velocità alle tre diverse altezze.

Utilizzando le equazioni derivate dal principio lavoro-energia, le energie potenziali e cinetiche per ogni corsa possono essere calcolate conoscendo le unità per ciascuna delle variabili. Le differenze di energia potenziale per le varie altezze sono elencate nella colonna PE della tabella. Come previsto, l'energia potenziale del sistema aumenta con l'aumentare dell'altezza e della massa più pesante, indicando un maggiore potenziale di lavoro.

I valori dell'energia cinetica traslazionale si trovano anche nella tabella nella colonna KE. Simile all'energia potenziale, l'energia cinetica è maggiore per l'aliante più pesante e tuttavia le velocità finali dell'aliante più pesante sono le stesse dell'aliante più leggero. Questo è chiaro dall'equazione che mette in relazione le energie dove la velocità è solo una funzione dell'altezza. Inoltre, la velocità aumenta ad una velocità proporzionale alla radice quadrata dell'altezza come previsto.

Secondo la legge di conservazione dell'energia, le colonne KE e PE nella tabella dovrebbero essere uguali, e lo sono quasi. Le discrepanze tra le due serie di valori derivano da errori nelle misurazioni effettuate, che si stima siano intorno al 10% per questo tipo di esperimento.

Le applicazioni che coinvolgono il principio lavoro-energia sono onnipresenti e coinvolgono tutte le diverse forme di energia.

Le montagne russe sono un perfetto esempio di conversione meccanica dell'energia. L'enorme montagna russa viene inizialmente tirata su a una grande altezza davanti a una ripida pendenza. La notevole energia potenziale guadagnata nella parte superiore della pendenza viene quindi convertita in energia cinetica per il resto della corsa. Durante il tragitto il coaster sperimenta un costante scambio di energia potenziale e cinetica.

Le reazioni chimiche mostrano anche una conversione di energia con l'energia tipicamente scambiata tra l'energia potenziale chimica e l'energia termica. Se la reazione è esotermica, l'energia potenziale viene ceduta sotto forma di calore all'ambiente, mentre per le reazioni endotermiche è vero il contrario. Alcune reazioni esotermiche possono essere esplosive, generando così energia cinetica che agisce sull'ambiente circostante.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE a Energy and Work by Force. Dovreste ora comprendere sia il concetto che l'importanza del principio lavoro-energia e come la legge di conservazione dell'energia possa mettere in relazione le energie potenziali e cinetiche. Grazie per l'attenzione!