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Lavoro di formula, unità, esempi, esercizi

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Lavoro di formula, unità, esempi, esercizi

Lui lavoro In fisica è il trasferimento di energia che esegue una forza quando l'oggetto su cui agisce si muove. Matematicamente prende la forma del prodotto scalare tra i vettori di resistenza F e spostamento S.

E poiché il prodotto scalare tra due vettori perpendicolari è nullo, succede che le forze che formano 90º con lo spostamento non funzionano, secondo la definizione, poiché: poiché:

W = F ● S = F⋅ s⋅ cos θ

Dove w indica il lavoro, per la parola inglese Lavoro.

Il vantaggio di definire il lavoro è che è uno scalare, cioè non ha alcuna direzione o significato, solo modulo e la rispettiva unità. Ciò semplifica i calcoli che comportano cambiamenti di energia causati dall'azione delle forze.

La gravità e l'attrito cinetico sono esempi di forze che spesso funzionano sugli oggetti in movimento. Un'altra forza comune è quella normale che esercita una superficie, ma a differenza di quelle, non funziona mai sugli oggetti, per essere perpendicolare allo spostamento.

Quando un corpo cade liberamente, la gravità fa un lavoro positivo sul cellulare, facendolo aumentare la velocità mentre cade. D'altra parte, cinetico Rubb.

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Formule e casi particolari

Il lavoro è calcolato da:

W = F ● S

Questa espressione è valida per le forze costanti e secondo la definizione di prodotto scalare, è equivalente a:

W = f. S. cos θ

Dove θ è l'angolo tra resistenza e spostamento. Ne consegue che solo quelle forze che hanno un componente nella direzione dello spostamento possono funzionare su un corpo.

Ed è anche evidente che se non c'è movimento, non c'è nemmeno lavoro.

Per quanto riguarda il segno, il lavoro può essere positivo, negativo o zero. Nel caso in cui la forza abbia un componente parallelo al movimento, il segno del lavoro dipende dal valore di cos θ.

Ci sono alcuni casi particolari che meritano di essere considerati:

Quando la forza è parallela allo spostamento, l'angolo tra F E S È 0º, quindi il lavoro svolto con la forza è positivo e il suo valore è massimo:

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W = f⋅s cos 0º = f⋅s

Se la forza si oppone allo spostamento, allora l'angolo tra F E S È 180º, il lavoro svolto da F è negativo ed è minimo:

W = f⋅s cos 180º = -f⋅s

Infine, c'è il caso sopra menzionato: se l'angolo formato da F E S È 90º, come cos 90º = 0, il lavoro è nullo:

W = f⋅s cos 90º = 0

Lavoro svolto da forze variabili

A volte la forza applicata non è costante; In tal caso, devi fare appello al calcolo per trovare il lavoro svolto. Innanzitutto, viene determinato un differenziale di lavoro DW, realizzato su uno spostamento infinitesimale DS:

dw = F⋅DS

Per trovare il valore del lavoro totale svolto da questa forza quando l'oggetto varia dal punto A al punto B, è necessario integrare entrambi i lati, come questo:

$W=\int_A^B\mathbfF\cdot d\mathbfs$

Unità di lavoro

L'unità per il lavoro nel sistema internazionale è il joule, abbreviato J. L'unità prende il nome dal fisico inglese James Prescott Joule, un pioniere nello studio della termodinamica.

Dall'equazione del lavoro, il joule è definito come 1 Newton per metro:

1 j = 1 n⋅m

Unità nel sistema britannico

Il lavoro corrisponde come un'unità Bilancia-Fuerza X Pie, A volte chiamato Piede per il fuoco. È anche un'unità per l'energia, ma dobbiamo ricordare che il lavoro svolto su un corpo cambia il suo stato energetico e che quindi il lavoro e l'energia sono equivalenti. Non sorprende che abbiano le stesse unità.

L'equivalenza tra il piede martellante e il joule è la seguente:

Piede di 1 libbra-fori = 1.35582 j

Un'unità ben nota per il lavoro ed energia, in particolare per l'ambito di refrigerazione e condizionatori d'aria è il BTU o Unità termica britannica.

1 Btu è uguale a 1055 J e 778.169 Pie Libra-Fuerza.

Altre unità per il lavoro

Esistono altre unità per il lavoro utilizzate in aree specifiche della fisica e dell'ingegneria. Tra questi abbiamo:

Erg

Indicato come erg, È l'unità di lavoro nel sistema cegesimale ed è equivalente a 1 dina⋅cm o 1 x 10^-7 J.

Elettrone-volt

EV abbreviato, è comunemente usato nella fisica delle particelle ed è definita come l'energia acquisita da un elettrone quando si muove attraverso una differenza potenziale di 1 V.

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Kilovatio-hora (KWH)

Appare spesso nelle entrate delle compagnie elettriche. È il lavoro sviluppato per 1 ora da una fonte la cui potenza è 1 kW, equivalente a 3.6 x 10⁶ J.

Caloria

Di solito è correlato all'energia alimentare, sebbene in realtà questo contesto si riferisca a a Kilocaloria, cioè 1000 calorie. In realtà ci sono diverse unità che ricevono questo nome, quindi il contesto deve essere specificato molto bene.

L'equivalenza tra Joule e 1 Calorie termochimiche È:

1 calorie = 4.1840 J

Esempi di lavoro

Promozione e discesa degli oggetti

Quando i corpi scendono, in verticale o da una rampa, il peso fa un lavoro positivo, favorendo il movimento. D'altra parte, a condizione che un oggetto sappia, la gravità svolge un lavoro negativo.

Cariche puntuali nei campi elettrici

Un campo elettrico uniforme funziona su un carico puntuale che si muove all'interno. A seconda del campo e del segno del carico, questo lavoro può essere negativo o positivo.

Attrito tra le superfici

L'attrito cinetico tra le superfici fa sempre un lavoro negativo sull'oggetto che si muove.

Spingere e lanciare

La spinta è una forza che muove un oggetto di qualcosa. Il lancio è una forza che rende un oggetto più vicino.

Forza in una puleggia

Una puleggia è un sistema che viene utilizzato per trasmettere una forza da una delle sue estremità. In una semplice puleggia, per aumentare il carico, dobbiamo applicare una forza uguale alla resistenza esercitata dall'oggetto.

Forze normali o supporto

Quello normale, come indicato in precedenza, fa un lavoro zero quando un oggetto supportato su una superficie si muove su di esso, anche se la superficie non è piatta o se è inclinato.

Forza magnetica

Un'altra forza che fa il lavoro nullo è la forza magnetica che esercita un campo uniforme sulla particella caricata che la colpisce perpendicolarmente. Il movimento delle particelle risulta essere un movimento circolare uniforme, con forza nella direzione radiale. Poiché lo spostamento è perpendicolare alla forza, non funziona sul carico.

Oggetti legati a una corda

Anche una corda non funziona su un pendolo sospeso, poiché la tensione in essa è sempre perpendicolare allo spostamento dell'impasto.

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Satelliti in orbita

La gravità non funziona su un satellite a orbita circolare, per lo stesso motivo dei casi precedenti: è perpendicolare allo spostamento.

Sistema di massa-resort

In un sistema di massa di massa, la forza F che esercita la molla sull'impasto ha grandezza F = kx, Dove K È la costante di primavera e X La tua compressione o allungamento. È una forza variabile, quindi il lavoro svolto dipende dal fatto che la molla è allungata o si restringe.

Esercizio risolto

Il grafico seguente mostra il lavoro svolto da una forza variabile F_X Dipende dalla posizione X. Questa è la forza esercitata da un martello su un chiodo. La prima parte è la forza usata per inchiodare la sezione più morbida del muro e la seconda per finire di affondare l'unghia.

Quanto lavoro deve fare il martello in modo che l'unghia affonda un totale di 5 cm sul muro?

Grafico per la forza esercitata dal martello quando si colpisce il chiodo. Fonte: Giambattista, a. Fisica.

Soluzione

La forza esercitata dal martello è variabile, poiché è necessaria una minore intensità (50 N) per affondare il 1.2 cm nella parte morbida del muro, mentre nella parte più difficile, 120 N sono precisi per far affondare il chiodo fino a 5 cm di profondità, come mostra il grafico.

In questo caso il lavoro è integrale: