Come Calcolare il Lavoro

In fisica, la definizione di "lavoro" è diversa da quella utilizzata nel linguaggio di tutti i giorni. In particolare, il termine "lavoro" viene utilizzato quando una forza fisica causa lo spostamento di un oggetto. In generale, se una forza intensa sposta un oggetto molto lontano rispetto alla posizione iniziale, la quantità di lavoro prodotto è grande, mentre se la forza è meno intensa o l'oggetto non si muove di molto, la quantità di lavoro prodotto è piccola. La forza può essere calcolata sulla base della formula Lavoro = F x s x Cosθ, dove F = forza (in Newton), s = spostamento (in metri), e θ = l'angolo tra il vettore della forza e la direzione del moto.

Parte 1

Parte 1 di 3:

Calcolo del Lavoro in una Sola Dimensione

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Trova la direzione del vettore della forza e la direzione del moto. Per iniziare, è importante individuare innanzitutto sia la direzione in cui l'oggetto si sta muovendo sia la direzione da cui viene applicata la forza. Tieni a mente che la direzione del moto degli oggetti non è sempre in linea con la forza applicata: per esempio, se traini un carretto per il manico, per spostarlo in avanti applichi una forza in direzione obliqua (supponendo che tu sia più alto del carro). In questa sezione, tuttavia, ci occupiamo di situazioni in cui la forza e il movimento dell'oggetto hanno la stessa direzione. Per sapere come trovare il lavoro quando non hanno la stessa direzione, vai alla sezione successiva.
- Per rendere questo metodo più facile da capire, cerchiamo di proseguire con un esempio. Supponiamo che un vagone di un treno giocattolo venga trainato in avanti dalla motrice che si trova nella sua parte anteriore. In questo caso, vettore forza e movimento del treno hanno la stessa direzione: in avanti. Nei prossimi passaggi, useremo queste informazioni per comprendere come calcolare il lavoro svolto sull'oggetto.
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Calcola lo spostamento dell'oggetto. La prima variabile di cui abbiamo bisogno nella formula per calcolare il lavoro, è s, lo spostamento, di solito facile da trovare. Lo spostamento è semplicemente la distanza che ha percorso l'oggetto in questione dalla sua posizione di partenza in seguito all'applicazione della forza. Solitamente nei problemi scolastici, questa informazione è un dato del problema o è possibile dedurla dagli altri dati. Nei problemi reali, tutto quello che devi fare per trovare lo spostamento è misurare la distanza percorsa dall'oggetto.
- Si noti che le misure della distanza devono essere in metri per poterle utilizzare correttamente nella formula del lavoro.
- Nell'esempio del trenino, diciamo che dobbiamo calcolare il lavoro svolto sul vagone mentre si sposta lungo la pista. Se inizia in un punto specifico e termina circa 2 metri dopo, possiamo scrivere 2 metri al posto della "s" nella formula.
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Trova il valore dell'intensità della forza. Il passo successivo è quello di trovare il valore della forza utilizzata per spostare l'oggetto. Questa è la misura dell'"intensità" della forza: più intensa è la forza, maggiore sarà la spinta sull'oggetto che, come conseguenza, subirà un'accelerazione maggiore^{[1]XFonte di ricerca}. Se il valore dell'intensità della forza non è un dato del problema, può essere calcolato utilizzando i valori di massa e accelerazione (supponendo che non ci siano altre forze che interferiscano su di esso) con la formula F = m x a. ^{[2]XFonte di ricerca}
- Si noti che la misura della forza, da utilizzare nella formula del lavoro, deve essere espressa in Newton.
- Nel nostro esempio, supponiamo di non conoscere il valore della forza. Tuttavia, sappiamo che il treno giocattolo ha una massa di 0,5 kg e che la forza causa un'accelerazione di 0,7 metri/secondo². Stando così le cose, possiamo trovare il valore moltiplicando m x a = 0,5 x 0,7 = 0,35 Newton.
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Moltiplica Forza x Distanza. Quando conosci il valore della forza che agisce sull'oggetto e la misura dello spostamento, il calcolo è facile. Basta moltiplicare questi due valori tra loro per ottenere il valore del lavoro.
- A questo punto risolviamo il problema del nostro esempio. Con un valore della forza di 0,35 Newton e una misura dello spostamento di 2 metri, il risultato si ottiene con una sola moltiplicazione: 0,35 x 2 = 0,7 joule.
- Avrai notato che, nella formula presentata nell'introduzione, c'è un elemento in più: cosθ. Come spiegato in precedenza, in questo esempio la forza e il movimento hanno la stessa direzione. Ciò significa che l'angolo da esse formato è 0^o. Dato che cos 0 = 1, non c'è bisogno di includerlo nella formula: significherebbe moltiplicare per 1.
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Scrivi l'unità di misura del risultato, in joule. In fisica, i valori del lavoro (e di alcune altre grandezze) sono quasi sempre espressi in un'unità di misura chiamata joule. Un joule è definito come 1 newton di forza che produce uno spostamento di 1 metro, o, in altre parole, un newton x metro^{[3]XFonte di ricerca}. Il senso è che, dal momento che si sta moltiplicando una distanza per una forza, è logico che l'unità di misura della risposta corrisponde alla moltiplicazione dell'unità di misura della forza per quella della distanza.
- Nota che esiste un'altra definizione alternativa per il joule: 1 watt di potenza irradiata per 1 secondo^{[4]XFonte di ricerca}. Nel seguito trovi una spiegazione più dettagliata sulla potenza e il suo rapporto con il lavoro.
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Parte 2

Parte 2 di 3:

Calcolo del Lavoro se la Forza e la Direzione Formano un Angolo

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Trova la forza e lo spostamento come nel caso precedente. Nella sezione precedente abbiamo esaminato quei problemi relativi al lavoro in cui l'oggetto si muove nella stessa direzione della forza ad esso applicata. In realtà, le cose non stanno sempre così. Nei casi in cui forza e movimento hanno due direzioni diverse, è necessario tener conto di questa differenza. Per cominciare per calcolare un risultato preciso; calcola l'intensità della forza e lo spostamento, come nel caso precedente.
- Vediamo un altro problema, a titolo d'esempio. In questo caso, esaminiamo la situazione in cui stiamo tirando un treno giocattolo in avanti come nell'esempio precedente, ma questa volta stiamo applicando la forza diagonalmente verso l'alto. Nella fase successiva, prenderemo in considerazione anche questo elemento, ma per ora, ci atteniamo agli aspetti fondamentali: lo spostamento del treno e l'intensità della forza che agisce su di esso. Per il nostro scopo, è sufficiente dire che la forza ha un'intensità di 10 newton e che la distanza percorsa siano gli stessi 2 metri in avanti, come prima.
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Calcola l'angolo tra il vettore forza e lo spostamento. A differenza degli esempi precedenti, la forza ha una direzione diversa da quella del movimento dell'oggetto, per cui è necessario calcolare l'angolo formato tra queste due direzioni. Se queste informazioni non sono disponibili, potrebbe essere necessario misurarlo o dedurlo usando gli altri dati del problema.
- Nel problema del nostro esempio, supponiamo che la forza venga applicata con una angolo di 60^o rispetto al pavimento. Se il treno è in movimento direttamente in avanti (cioè, orizzontalmente), l'angolo tra il vettore forza e il movimento del treno è 60^o.
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Moltiplica Forza x Distanza x Cos θ. Quando sono noti lo spostamento dell'oggetto, l'intensità della forza che agisce su di esso, e l'angolo tra il vettore forza e il suo movimento, la soluzione si calcola facilmente quasi quanto nel caso in cui non dovevi prendere in considerazione l'angolo. Per trovare la risposta in joule, sarà sufficiente prendere il coseno dell'angolo (potrebbe servirti una calcolatrice scientifica) e moltiplicarlo per l'intensità della forza e per lo spostamento.
- Risolviamo il problema del nostro esempio. Utilizzando una calcolatrice, troviamo che il coseno di 60^o é 1/2. Sostituiamo i dati nella formula, e calcoliamo nel modo seguente: 10 newton x 2 metri x 1/2 = 10 joule.
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Parte 3

Parte 3 di 3:

Come Usare il Valore del Lavoro

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Puoi calcolare la distanza, la forza, o l'ampiezza dell'angolo utilizza la formula inversa. La formula per il calcolo del lavoro non è utile solo per calcolare il valore del lavoro: è anche utile per trovare una qualsiasi delle variabili presenti nell'equazione quando è noto il valore del lavoro. In questi casi, è sufficiente isolare la variabile che stai cercando e svolgere il calcolo utilizzando le regole di base dell'algebra.
- Per esempio, supponiamo di sapere che il nostro treno viene tirato da una forza di 20 newton, con la direzione della forza applicata che forma un angolo con la direzione del movimento, per 5 metri producendo 86,6 joule di lavoro. Tuttavia, non conosciamo l'ampiezza dell'angolo del vettore forza. Per scoprire l'angolo, ci limiteremo a isolare la variabile e risolvere l'equazione nel modo seguente:
  86,6 = 20 x 5 x cos θ
  86,6/100 = cos θ
  ArcCos(0,866) = θ = 30^o
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Per calcolare la potenza, dividi per il tempo necessario per il movimento. In fisica, il lavoro è strettamente legato ad un altro tipo di misura chiamata "potenza". La potenza è semplicemente un modo di quantificare la velocità con cui il lavoro viene svolto in un determinato sistema nel tempo. Così, per trovare la potenza, tutto quello che devi fare è dividere il lavoro svolto per spostare un oggetto per il tempo necessario per completare lo spostamento. L'unità di misura della potenza è il watt (pari a joule al secondo). ^{[5]XFonte di ricerca}
- Ad esempio, nel problema del passaggio precedente, supponiamo che ci siano voluti 12 secondi perché il treno si spostasse di 5 metri. In questo caso, tutto quello che dobbiamo fare è dividere il lavoro svolto per la distanza di 5 metri (86,6 joule) per i 12 secondi, per calcolare il valore della potenza: 86,6/12 = 7,22 watt.
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Utilizza la formula E_i + W_nc = E_f per trovare l'energia meccanica di un sistema. Il lavoro può anche essere utilizzato per trovare l'energia di un sistema. Nella formula precedente, E_i = l'energia meccanica totale iniziale di un sistema, E_f = l'energia meccanica totale finale del sistema , e L_nc = il lavoro svolto sul sistema a causa di forze non conservative^{[6]XFonte di ricerca}. In questa formula, se la forza viene applicata nella direzione del movimento, ha segno positivo, se viene applicata in direzione contraria, è negativo. Si noti che entrambe le variabili dell'energia possono essere trovate con la formula (½)mv² dove m = massa e V = volume.
- Ad esempio, considerato il problema dei due passaggi precedenti, supponiamo che il treno avesse inizialmente un'energia meccanica totale di 100 joule. Dal momento che la forza viene esercitata sul treno nella direzione del movimento, il segno è positivo. In questo caso, l'energia finale del treno è E_i+L_nc = 100 + 86,6 = 186,6 joule.
- Si noti che le forze non conservative sono forze il cui potere di influenzare l'accelerazione di un oggetto dipende dal percorso seguito dall'oggetto. L'attrito ne è un esempio classico: gli effetti dell'attrito su un oggetto spostato in un percorso breve e rettilineo sono inferiori rispetto ad un oggetto che subisce lo stesso spostamento seguendo un percorso lungo e tortuoso.
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Consigli

Quando riesci a risolvere in problema, sorridi e complimentati con te stesso!
Cerca di risolvere più problemi che puoi, in modo da riuscire ad acquisire un certo livello di dimestichezza.
Non smettere di esercitarti, e non arrenderti se non riesci al primo tentativo.
Impara i seguenti aspetti relativi al lavoro:
- Il lavoro compiuto da una forza può essere positivo e negativo — in questo caso, utilizziamo i termini positivo e negativo nel loro significato matematico, non nell'accezione attribuita nel linguaggio di tutti i giorni.
- Il lavoro compiuto è negativo se la forza che viene applicata ha verso opposto rispetto allo spostamento.
- Il lavoro compiuto è positivo se la forza viene applicata nel verso dello spostamento.