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Esercizio lavoro ed energia 82

Dinamica del punto materiale: Lavoro ed energia in Meccanica classica

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L’esercizio 82 sulle leggi della dinamica è il cinquantottesimo esercizio della raccolta presente nella cartella Dinamica del punto materiale: Leggi di Newton in meccanica classica. Questo esercizio segue l’Esercizio 81 sul lavoro ed energia. È progettato per studenti che frequentano un corso di Fisica 1, indirizzato agli studenti di ingegneria, fisica e matematica.

Questo è l’ultimo esercizio dedicato alla Dinamica del punto materiale: Lavoro ed energia in Meccanica classica. Se desideri continuare lo studio, ti consigliamo di procedere con il primo esercizio dedicato ai Moti relativi in Meccanica classica, partendo dal Moti relativi 1. Nel caso volessi riprendere dal primo esercizio di questa collezione, puoi farlo andando alla sezione dedicata al Teorema delle forze vive e conservazione dell’energia meccanica.

 

Testo lavoro ed energia 82

Esercizio 82 (\bigstar\bigstar\bigstar\bigstar\largewhitestar). Si osserva da un sistema di riferimento fisso Oxy un punto materiale di massa m vincolato a muoversi nel piano xy. Il punto materiale all’istante t=0 si trova in O, ed è soggetto ad un campo di forze F=-(kx,ky)=-\left(F_1,F_2\right). Il punto ha una velocità iniziale di modulo v_0. Determinare i punti del piano dove la velocità del punto materiale si annulla. Se il punto viene spostato nel punto generico (x_0,y_0), sempre con velocità di modulo v_0, determinare nuovamente dove si annulla la velocità e i punti dove il modulo della velocità è massima.

Svolgimento.

Osserviamo che il campo di forze è irrotazionale, in quanto

(1) \begin{equation*} \dfrac{\partial F_1 }{\partial y}=\dfrac{\partial F_2}{\partial x}=0, \end{equation*}

inoltre il suo dominio è \mathbb{R}^2 che è un semplicemente connesso, quindi il campo di forze è conservativo per il lemma di Poincare. Troviamo un potenziale U che soddisfa le seguenti condizioni

(2) \begin{equation*} (-kx,-ky)=-\nabla U(x,y)\quad \Leftrightarrow \quad \displaystyle\begin{cases} \dfrac{\partial U}{\partial x}=kx\\[10pt] \dfrac{\partial U}{\partial y}=ky. \end{cases}. \end{equation*}

Dalla prima equazione del sistema (2) abbiamo

(3) \begin{equation*} U(x,y)=\dfrac{k}{2}x^2+c(y), \end{equation*}

dove c(y) è una costante di classe \mathcal{C}^1(\mathbb{R}) che dipende dalla sola variabile y. Sostituendo la precedente equazione nella seconda equazione del sistema (2) si trova

(4) \begin{equation*} \dfrac{dc}{dy}\left(y\right)=ky \quad \Leftrightarrow \quad c(y)=\dfrac{k}{2}y^2+\text{costante}, \end{equation*}

da cui

(5) \begin{equation*} \boxed{U(x,y)=\dfrac{k}{2}x^2+\dfrac{k}{2}y^2=\dfrac{k}{2}\left(x^2+y^2\right).} \end{equation*}

Quindi, immaginando che il punto materiale si sposti lungo una generica curva \gamma dal punto (0,0) a un punto (x,y) del piano xy, allora per il teorema dell’energia-lavoro abbiamo

(6) \begin{equation*} \dfrac{1}{2}mv^2_f-\dfrac{1}{2}mv_0^2=U(x,y)-U(0,0)=-\dfrac{k}{2}\left(x^2+y^2\right), \end{equation*}

dove v_f è il modulo che ha il punto materiale in corrispondenza del punto (x,y). Posto v_f=0 dalla precedente equazione otteniamo

(7) \begin{equation*} mv_0^2=k\left(x^2+y^2\right)\quad \Leftrightarrow \quad x^2+y^2=\dfrac{mv_0^2}{k}. \end{equation*}

La precedente equazione rappresenta l’equazione di una circonferenza centrata in (0,0) di raggio r=\sqrt{mv_0^2/k}. Dunque, il punto materiale di massa m ha velocità nulla in qualsiasi punto della circonferenza di equazione definita nell’equazione (7).     Quando il punto si trova in (x_0,y_0) con velocità di modulo v_0 e nel punto (x,y) con velocità nulla, abbiamo

(8) \begin{equation*} \dfrac{1}{2}mv_0^2+\dfrac{1}{2}kx_0^2+\dfrac{1}{2}ky_0^2=\dfrac{1}{2}kx^2+\dfrac{1}{2}ky^2, \end{equation*}

o anche

(9) \begin{equation*} mv_0^2+kx_0^2+ky_0^2=kx^2+ky^2 , \end{equation*}

conseguentemente

(10) \begin{equation*} x^2+y^2 = \dfrac{mv_0^2}{k}+x_0^2y_0^2. \end{equation*}

La precedente equazione rappresenta l’equazione di una circonferenza di centro (0,0) e raggio R=\sqrt{\dfrac{mv_0^2}{k}+x_0^2+y_0^2}. Dunque, il punto materiale di massa m ha velocità nulla in qualsiasi punto della circonferenza di equazione definita nell’equazione (10).  

  Determiniamo dove la velocità è massima. Di nuovo, consideriamo quando il punto si trova in (x_0,y_0) con velocità v_0 e nel punto (x,y) con velocità di modulo v_f. Per la conservazione dell’energia abbiamo

(11) \begin{equation*} \begin{aligned} & \dfrac{1}{2}mv_0^2+\dfrac{1}{2}kx_0^2+\dfrac{1}{2}ky_0^2 = \dfrac{1}{2}mv^2(x,y)+\dfrac{1}{2}kx^2+\dfrac{1}{2}ky^2 \quad \Leftrightarrow\\[10pt] & \Leftrightarrow \quad\dfrac{1}{2}k\left(\dfrac{mv_0^2}{k}+x_0^2+y_0^2\right)=\dfrac{1}{2}mv^2(x,y)+\dfrac{1}{2}kx^2+\dfrac{1}{2}ky^2 \\[10pt] &\Leftrightarrow \quad kR^2-kx^2-ky^2=mv^2\left(x,y\right)\quad\Leftrightarrow \\[10pt] & \Leftrightarrow \quad v(x,y)=\sqrt{\dfrac{kR^2-kx^2-ky^2}{m}}=\sqrt{\dfrac{k\left(R^2-x^2-y^2\right)}{m}}=\\[10pt] &=\sqrt{\dfrac{k}{m}}\left(R^2-x^2-y^2\right)^{\frac{1}{2}}. \end{aligned} \end{equation*}

Calcoliamo le derivate parziali di v(x,y) avvalendoci della precedente equazione, cioè

(12) \begin{equation*} \begin{aligned} &\dfrac{\partial v(x,y)}{\partial x}=-\sqrt{\dfrac{k}{m}}\dfrac{x}{\sqrt{R^2-x^2-y^2}}\\ &\dfrac{\partial v(x,y)}{\partial y}=-\sqrt{\dfrac{k}{m}}\dfrac{y}{\sqrt{R^2-x^2-y^2}} \end{aligned} \end{equation*}

e ponendole uguali a zero, l’unica soluzione è (0,0).    


Osservazione.

Osservazione.  Si lascia al lettore volenteroso la verifica il punto (0,0) sia un punto di massimo applicando le classiche tecniche standard di analisi matematica.

 

Scarica gli esercizi svolti

Ottieni il documento contenente 82 esercizi risolti, contenuti in 255 pagine ricche di dettagli, per migliorare la tua comprensione del lavoro ed energia in meccanica classica.

 
 

Esercizi di Meccanica classica

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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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