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Lavoro ed energia: esercizio 41

Dinamica del punto materiale: Lavoro ed energia in Meccanica classica

Home » Lavoro ed energia: esercizio 41

Esercizio lavoro ed energia 41

L’esercizio 41 sul lavoro e l’energia fa parte della raccolta inclusa nella cartella Dinamica del punto materiale: Lavoro ed energia in Meccanica classica. Questo esercizio segue Esercizio lavoro ed energia 40 ed è il precedente di un eventuale Esercizio lavoro ed energia 42. Questo esercizio è progettato per studenti che frequentano un corso di Fisica 1, indirizzato a chi studia ingegneria, fisica o matematica.

 

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Testo lavoro ed energia 41

Esercizio 41 (\bigstar\bigstar\largewhitestar\largewhitestar\largewhitestar). Un punto materiale di massa m, collegato ad un punto fisso O da un filo inestensibile e di massa trascurabile, descrive una circonferenza di raggio R>0 posta in un piano verticale. Nel punto A la tensione del filo applicata ad m vale T_A>0, e che nel punto B la velocità di m vale v_B>0. Si richiede di calcolare

  1. il valore del raggio R;
  2. il modulo T_C che esercita il filo su m in C.

 

 

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Svolgimento punto 1.

Consideriamo il corpo di massa m quando si trova nel punto A. Definiamo un sistema di riferimento cartesiano fisso Otn, con l’asse delle t tangente alla traiettoria nel punto A, e l’asse delle n ad essa ortogonale, come illustrato in figura 2. Costruiamo il diagramma di corpo libero: sul corpo di massa m agiscono la forza peso m\vec{g} e la tensione del filo \overrightarrow{T}_A, orientate come in figura 2.

 

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Diagramma di corpo libero utilizzato per esercizi di lavoro ed energia

 

Sia v_A il modulo della velocità di m quando si trova in A. Per il secondo principio della dinamica, nella direzione dell’asse delle n, si ottiene

(1)   \begin{equation*} T_A-mg=m\dfrac{v_{A}^2}{R}\quad\Leftrightarrow\quad R=\dfrac{mv_{A}^2}{T_A-mg}. \end{equation*}

Si osservi che, {v_{A}^2}/{R} è l’accelerazione centripeta. Notiamo che, l’espressione di R ottenuta dipende da v_A, che non è un dato noto del problema. Dunque, dobbiamo esprimere v_A in funzione dei dati notevoli del problema. Costruiamo un nuovo sistema di riferimento fisso Oy, con l’origine O alla stessa quota del punto A. In corrispondenza di A fissiamo il livello zero dell’energia potenziale gravitazionale, come mostrato in figura 3.

 

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Configurazione sistema con corpo in un punto di una circonferenza, utilizzato per esercizi di lavoro ed energia

 

Sul corpo di massa m agisce la forza peso m\vec{g} che è conservativa, e inoltre, la tensione \overrightarrow{T} che essendo perpendicolare instante per istante alla traiettoria di m, non fa lavoro. Da quanto detto, deduciamo che l’energia meccanica totale di m si conserva in ogni istante di tempo. Consideriamo l’istante di tempo in cui il corpo si trova nel punto A. In tale istante m si trova in corrisponde del livello zero dell’energia potenziale gravitazionale, pertanto l’energia totale è

(2)   \begin{equation*} E_{A}=\dfrac{1}{2}mv_{A}^2. \end{equation*}

Consideriamo l’istante di tempo in cui il corpo si trova nel punto B. In tale istante m ha velocità v_B e si trova nella posizione 2R, rispetto al sistema di riferimento Oy, quindi l’energia meccanica totale di m è

(3)   \begin{equation*} E_{B}=\dfrac{1}{2}mv_{B}^2+2mgR. \end{equation*}

Per la conservazione dell’energia meccanica, si ha

(4)   \begin{equation*} E_A=E_B\quad\Leftrightarrow\quad \dfrac{1}{2}mv_{A}^2=\dfrac{1}{2}mv_{B}^2+2mgR, \end{equation*}

dove abbiamo utilizzato le equazioni (2) e (3). Dall’equazione (4), si ottiene

(5)   \begin{equation*} v_A=\sqrt{v_{B}^2+4gR}. \end{equation*}

Sostituendo l’espressione di v_A (ottenuta nell’equazione (5)) nell’equazione (1), si trova

(6)   \begin{equation*} R=\dfrac{m}{T_A-mg}(v_{B}^2+4gR)\quad\Leftrightarrow\quad R=\dfrac{mv_{B}^2}{T_A-mg}+\dfrac{4mgR}{T_A-mg}\quad\Leftrightarrow\quad R\left(1-\dfrac{4mg}{T_A-mg}\right)=\dfrac{mv_{B}^2}{T_A-mg}, \end{equation*}

da cui

    \[\boxcolorato{fisica}{ R=\dfrac{mv_{B}^2}{T_A-5mg}.}\]

Osserviamo che, il valore di R appena ottenuto è ben definito perché per ipotesi vale T_A>5mg.


Svolgimento punto 2.

Per calcolare la tensione T_C del filo applicata ad m quando si trova nel punto C procediamo in modo analogo al precedente punto. Scegliamo un sistema di riferimento Otn, tale per cui C\equiv A, l’asse t sia tangente alla traiettoria di m, e l’asse n sia diretto nel verso della circonferenza. Come nel precedente punto il filo è sottoposto alla forza peso m\vec{g} e alla tensione \overrightarrow{T}_C. Il sistema di riferimento e le forze sono rappresentate in figura 4.

 

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Schema di un corpo collegato a un punto fisso tramite un filo, utilizzato per esercizi di lavoro ed energia

 

Sia v_C il modulo della velocità di m quando si trova in C. Per il secondo principio della dinamica, nella direzione dell’asse n, si ha

(7)   \begin{equation*} T_C=m\dfrac{v_{C}^2}{R}. \end{equation*}

Si osservi che, \dfrac{v_{C}^2}{R} è l’accelerazione centripeta. Notiamo che, l’espressione di T_C ottenuta dipende da v_C, che non è un dato noto del problema. Dunque, dobbiamo esprimere v_C in funzione dei dati notevoli del problema. Sfruttiamo la conservazione dell’energia meccanica del corpo tra l’istante di tempo in cui esso si trova nel punto B e l’stante di tempo in cui si trova in C (si veda la figura 5).

 

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Nel punto C l’energia meccanica totale E_C del corpo è data da un contributo cinetico ed uno gravitazionale, ossia

(8)   \begin{equation*} E_C=\dfrac{1}{2}mv_{C}^2+mgR. \end{equation*}

Sfruttando le equazioni (3) e (8), per la conservazione dell’energia, si ha

(9)   \begin{equation*} \dfrac{1}{2}mv_{B}^2+2mgR=\dfrac{1}{2}mv_{C}^2+mgR \quad\Leftrightarrow\quad v_{C}^2=v_{B}^2+2gR. \end{equation*}

Sostituendo l’espressione di v_C (calcolata nell’equazione (9)) nell’equazione (7), si ottiene

(10)   \begin{equation*} T_C=\dfrac{m}{R}(v_{B}^2+2gR)=\dfrac{mv_{B}^2}{R}+2mg. \end{equation*}

Infine, usando il risultato ottenuto per R nel punto 1, l’equazione (10) diventa

(11)   \begin{equation*} T_C=\dfrac{mv_{B}^2}{\dfrac{mv_{B}^2}{T_A-5mg}}+2mg=(T_A-5mg)+2mg, \end{equation*}

ossia

    \[\boxcolorato{fisica}{ T_C=T_A-3mg.}\]

Osserviamo che T_C è ben definito dato che vale T_A>5mg>3mg.


 
 

Esercizi di Meccanica classica

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Tutti gli esercizi di elettromagnetismo

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    Ulteriori risorse didattiche per la fisica

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    • Physics Stack Exchange – Parte della rete Stack Exchange, questo sito è un forum di domande e risposte specificamente dedicato alla fisica. È un’ottima risorsa per discutere e risolvere problemi di fisica a tutti i livelli, dall’elementare all’avanzato.
    • ArXiv – ArXiv è un archivio di preprint per articoli di ricerca in fisica (e in altre discipline scientifiche). Gli articoli non sono peer-reviewed al momento della pubblicazione su ArXiv, ma rappresentano un’importante risorsa per rimanere aggiornati sugli sviluppi più recenti nella ricerca fisica.
    • Phys.org – Questo sito offre notizie e aggiornamenti su una vasta gamma di argomenti scientifici, con un focus particolare sulla fisica. È una risorsa utile per rimanere aggiornati sugli ultimi sviluppi nella ricerca e nelle scoperte fisiche.
    • Physics Forums – Una delle comunità online più grandi per la fisica e la scienza in generale. Offre discussioni su vari argomenti di fisica, aiuto con i compiti, e discussioni su articoli di ricerca.
    • The Feynman Lectures on Physics – Questo sito offre accesso gratuito alla famosa serie di lezioni di fisica di Richard Feynman, un’ottima risorsa per studenti di fisica di tutti i livelli.
    • American Physical Society (APS) – La APS è una delle organizzazioni più importanti per i fisici. Il sito offre accesso a pubblicazioni, conferenze, risorse educative e aggiornamenti sulle novità del mondo della fisica.
    • Institute of Physics (IOP) – L’IOP è un’importante organizzazione professionale per i fisici. Il sito offre risorse per l’apprendimento, accesso a riviste scientifiche, notizie e informazioni su eventi e conferenze nel mondo della fisica.
    • Physics World – Physics World è una rivista online che offre notizie, articoli, interviste e approfondimenti su vari argomenti di fisica. È una risorsa preziosa per chiunque sia interessato agli sviluppi contemporanei nella fisica.
    • Quanta Magazine (sezione Fisica) – Quanta Magazine è una pubblicazione online che copre notizie e articoli di approfondimento su matematica e scienze. La sezione fisica è particolarmente interessante per i contenuti di alta qualità e le spiegazioni approfondite.
    • Perimeter Institute – Il Perimeter Institute è un importante centro di ricerca in fisica teorica. Il sito offre accesso a conferenze, workshop e materiale educativo, ed è un’ottima risorsa per chi è interessato alla fisica teorica avanzata.

     
     

    Lavoro ed energia nelle energie rinnovabili: fondamenti per un futuro sostenibile

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    L’energia è un concetto fondamentale che pervade tutti gli aspetti della vita moderna, dall’alimentazione delle abitazioni e delle industrie, alla mobilità e alla comunicazione globale. Con l’emergere delle preoccupazioni legate al cambiamento climatico e all’esaurimento delle risorse fossili, le energie rinnovabili sono diventate un tema centrale nella ricerca di soluzioni sostenibili per il futuro energetico del pianeta. Questo articolo esplora i concetti di lavoro ed energia nell’ambito delle energie rinnovabili, evidenziando il loro ruolo cruciale nella transizione verso una produzione energetica più pulita e sostenibile.

    Il concetto di lavoro in fisica si riferisce al trasferimento di energia attraverso l’applicazione di una forza su un corpo che si muove nella direzione della forza stessa. In termini di energia rinnovabile, il lavoro viene svolto ogni volta che una fonte naturale di energia, come il vento, il sole, o l’acqua, viene convertita in una forma di energia utilizzabile, come l’elettricità. Ad esempio, nelle turbine eoliche, il lavoro è compiuto dal vento che esercita una forza sulle pale, facendole ruotare. Questa rotazione viene convertita in energia elettrica attraverso un generatore. Il vento compie lavoro sulle pale, trasferendo loro l’energia cinetica necessaria per generare elettricità. Nei pannelli fotovoltaici, i fotoni provenienti dal sole “spingono” gli elettroni attraverso un semiconduttore, generando corrente elettrica. Anche se il concetto di lavoro qui è meno intuitivo rispetto all’eolico, l’energia solare svolge un lavoro fondamentale nel liberare gli elettroni necessari per produrre energia. Nelle centrali idroelettriche, l’acqua che cade da un’altezza compie lavoro sulle turbine situate alla base delle dighe. Questo lavoro, dovuto all’energia potenziale dell’acqua, viene trasformato in energia cinetica e infine in energia elettrica.

    L’energia è la capacità di un sistema di compiere lavoro. Nelle energie rinnovabili, la sfida principale è catturare e convertire l’energia disponibile nell’ambiente in una forma utilizzabile. Le principali forme di energia coinvolte nelle tecnologie rinnovabili includono l’energia cinetica, come quella del vento e dell’acqua in movimento, che può essere convertita direttamente in energia elettrica, l’energia solare, che può essere convertita in energia elettrica attraverso pannelli fotovoltaici o utilizzata per riscaldare fluidi in impianti solari termici, e l’energia potenziale, come l’energia immagazzinata nell’acqua dietro una diga, che può essere rilasciata per generare energia elettrica.

    Uno degli obiettivi principali nello sviluppo delle tecnologie rinnovabili è migliorare l’efficienza con cui queste tecnologie convertono l’energia disponibile in energia utilizzabile. L’efficienza è spesso definita come il rapporto tra l’energia prodotta e l’energia disponibile, e può essere limitata da vari fattori, tra cui le perdite energetiche sotto forma di calore e l’inefficienza dei componenti meccanici ed elettrici. La sostenibilità delle energie rinnovabili non dipende solo dall’efficienza, ma anche dalla capacità di queste tecnologie di ridurre l’impatto ambientale rispetto alle fonti fossili. A differenza del carbone, del petrolio e del gas naturale, le fonti rinnovabili non emettono direttamente gas serra durante la produzione di energia e possono essere sfruttate in modo continuo senza esaurirsi nel tempo.

    Mentre il mondo si sposta verso un futuro più sostenibile, l’importanza delle energie rinnovabili continuerà a crescere. Gli sviluppi tecnologici stanno rendendo queste fonti di energia sempre più competitive rispetto alle fonti tradizionali, riducendo i costi e migliorando l’affidabilità. Con il continuo progresso nella scienza dei materiali e nelle tecnologie di stoccaggio dell’energia, le energie rinnovabili sono destinate a svolgere un ruolo centrale nel soddisfare le esigenze energetiche globali, contribuendo al contempo a mitigare il cambiamento climatico. In conclusione, il concetto di lavoro ed energia è intrinsecamente legato alle energie rinnovabili, fornendo una base per comprendere come queste tecnologie catturano e trasformano le risorse naturali in energia utilizzabile. Con l’aumento della consapevolezza ambientale e la pressione per ridurre le emissioni di carbonio, le energie rinnovabili rappresentano non solo una soluzione necessaria, ma anche una strada percorribile verso un futuro energetico sostenibile.


     

    Lavoro ed energia: l’evoluzione storica e scientifica di due concetti fondamentali della fisica

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    Il concetto di lavoro ed energia ha radici profonde nella storia della fisica e della filosofia naturale, evolvendosi attraverso secoli di osservazioni e teorie che hanno cercato di spiegare il funzionamento del mondo naturale. Il concetto di lavoro in fisica, come misura del trasferimento di energia attraverso l’applicazione di una forza, è relativamente recente nella storia della scienza, risalente al XVIII secolo. Prima di questo periodo, i filosofi naturali, come Aristotele, avevano concetti più rudimentali di movimento e forza, senza una chiara distinzione tra energia e lavoro. Il termine “lavoro” in senso fisico fu formalmente introdotto dal matematico francese Gaspard-Gustave Coriolis nel 1829. Coriolis definì il lavoro come il prodotto della forza applicata su un corpo e dello spostamento del corpo nella direzione della forza. Questa definizione permise di quantificare il lavoro meccanico e divenne un concetto fondamentale nella meccanica classica.

    Il concetto di energia ha una storia più lunga e complessa. L’idea che il movimento e le forze potessero essere legate a una sorta di “capacità di compiere lavoro” risale all’antichità, ma il concetto moderno di energia iniziò a prendere forma solo nel XVII secolo. Un passo importante fu fatto con i lavori di Gottfried Wilhelm Leibniz e Émilie du Châtelet nel XVII e XVIII secolo. Leibniz sviluppò il concetto di vis viva (forza viva), che corrisponde all’energia cinetica moderna, come il prodotto della massa di un corpo e del quadrato della sua velocità. Questo concetto fu ulteriormente sviluppato da Émilie du Châtelet, che chiarì il ruolo dell’energia potenziale, contribuendo a formare la base del principio di conservazione dell’energia.

    Nel XIX secolo, scienziati come Joule, Helmholtz, e Thomson (Lord Kelvin) consolidarono il concetto di energia come quantità fisica conservata. Joule, in particolare, dimostrò l’equivalenza tra lavoro meccanico e calore, stabilendo il principio di conservazione dell’energia, noto come la prima legge della termodinamica.

    La formalizzazione del lavoro e dell’energia come concetti interconnessi permise agli scienziati di sviluppare una comprensione più profonda dei processi fisici. In meccanica classica, il lavoro svolto su un sistema è strettamente legato alle variazioni di energia del sistema, e questa comprensione è alla base di molte applicazioni in ingegneria e fisica. Nel tempo, questi concetti sono diventati fondamentali non solo nella meccanica, ma anche in altre branche della fisica, come la termodinamica e l’elettromagnetismo, fornendo un linguaggio comune per descrivere e analizzare un’ampia gamma di fenomeni naturali.






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