Fisica

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa sezione, sarai in grado di:

• Spiegare la legge della conservazione dell’energia.
• Descrivere alcune delle molte forme di energia.
• Definire l’efficienza di un processo di conversione dell’energia come la frazione lasciata come energia utile o lavoro, piuttosto che essere trasformata, per esempio, in energia termica.

Making Connections: Utilità del principio di conservazione dell’energia

Il fatto che l’energia si conservi e abbia molte forme lo rende molto importante. Troverete che l’energia è discussa in molti contesti, perché è coinvolta in tutti i processi. Diventerà anche evidente che molte situazioni sono meglio comprese in termini di energia e che i problemi sono spesso più facilmente concettualizzati e risolti considerando l’energia.

Strategie di risoluzione dei problemi per l’energia

Troverai le seguenti strategie di risoluzione dei problemi utili quando hai a che fare con l’energia. Le strategie aiutano ad organizzare e rinforzare i concetti di energia. Infatti, sono usate negli esempi presentati in questo capitolo. Le familiari strategie generali di risoluzione dei problemi presentate in precedenza – che coinvolgono l’identificazione dei principi fisici, delle conoscenze e delle incognite, il controllo delle unità, e così via – continuano ad essere rilevanti anche qui.

Passo 1. Determinare il sistema di interesse e identificare quali informazioni sono date e quale quantità deve essere calcolata. Uno schizzo aiuterà.

Step 2. Esaminare tutte le forze coinvolte e determinare se si conosce o viene data l’energia potenziale dal lavoro fatto dalle forze. Poi usate il passo 3 o il passo 4.

Passo 3. Se conosci le energie potenziali delle forze che entrano nel problema, allora le forze sono tutte conservative, e puoi applicare la conservazione dell’energia meccanica semplicemente in termini di energia potenziale e cinetica. L’equazione che esprime la conservazione dell’energia è KEi + PEi = KEf + PEf.

Passo 4. Se si conosce l’energia potenziale solo per alcune delle forze, forse perché alcune di esse non sono conservative e non hanno un’energia potenziale, o se ci sono altre energie che non sono facilmente trattate in termini di forza e lavoro, allora si deve usare la legge di conservazione dell’energia nella sua forma più generale.

KEi + PEi + Wnc + OEi = KEf + PEf +OEf.

Nella maggior parte dei problemi, uno o più dei termini è zero, semplificandone la soluzione. Non calcolare Wc, il lavoro fatto dalle forze conservative; è già incorporato nei termini PE.

Passo 5. Hai già identificato i tipi di lavoro e di energia coinvolti (nel passo 2). Prima di risolvere l’incognita, eliminate i termini ovunque sia possibile per semplificare l’algebra. Per esempio, scegliete h=0 nel punto iniziale o finale, in modo che PEg sia zero lì. Poi risolvi l’incognita nel modo consueto.

Passo 6. Controlla la risposta per vedere se è ragionevole. Una volta che hai risolto un problema, riesamina le forme di lavoro ed energia per vedere se hai impostato correttamente l’equazione di conservazione dell’energia. Per esempio, il lavoro fatto contro l’attrito dovrebbe essere negativo, l’energia potenziale alla base di una collina dovrebbe essere minore di quella in cima, e così via. Controllate anche che il valore numerico ottenuto sia ragionevole. Per esempio, la velocità finale di uno skateboarder che scende da una rampa alta 3 metri potrebbe ragionevolmente essere 20 km/h, ma non 80 km/h.

Figura 1. L’energia solare è convertita in energia elettrica dalle celle solari, che è usata per far funzionare un motore in questo aereo ad energia solare. (credit: NASA)

PhET Explorations: Masse e molle

Un laboratorio realistico di masse e molle. Appendi delle masse alle molle e regola la rigidità della molla e lo smorzamento. Puoi anche rallentare il tempo. Trasporta il laboratorio su diversi pianeti. Un grafico mostra le energie cinetiche, potenziali e termiche per ogni molla.

Clicca per eseguire la simulazione.

Domande concettuali

1. Considera il seguente scenario. Un’auto per la quale l’attrito non è trascurabile accelera da ferma lungo una collina, esaurendo la benzina dopo una breve distanza. L’autista lascia che l’auto si sposti più in basso lungo la collina, poi su e oltre una piccola cresta. Poi scende dalla collina fino a una stazione di servizio, dove frena fino a fermarsi e riempie il serbatoio di benzina. Identifica le forme di energia che l’auto possiede, e come vengono cambiate e trasferite in questa serie di eventi. (Vedi Figura 2.)
   

   Figura 2. Un’auto con attrito non trascurabile scende da una collina, supera una piccola cresta, poi scende di nuovo, e si ferma a una stazione di servizio.

2. Un’auto con attrito non trascurabile scende da una collina, supera una piccola cresta, poi scende di nuovo, e si ferma a una stazione di servizio.
3. Un’auto che scende, supera una cresta, poi scende ancora e infine si ferma a una stazione di servizio. Ognuna di queste posizioni è etichettata con una freccia che punta verso il basso.
4. Descrivere i trasferimenti e le trasformazioni di energia per un giavellotto, a partire dal punto in cui un atleta raccoglie il giavellotto e fino a quando il giavellotto è conficcato nel terreno dopo essere stato lanciato.
5. I dispositivi con efficienza inferiore a uno violano la legge di conservazione dell’energia? Spiega.
6. Elenco quattro diverse forme o tipi di energia. Dai un esempio di conversione da ciascuna di queste forme ad un’altra forma.
7. Elenca le conversioni di energia che avvengono quando si va in bicicletta.

Problemi & Esercizi

1. Utilizzando i valori della Tabella 1, quante molecole di DNA potrebbero essere spezzate dall’energia trasportata da un singolo elettrone nel raggio di un tubo TV vecchio stile? (Questi elettroni non erano pericolosi di per sé, ma creavano pericolosi raggi X. I modelli successivi di TV a tubo avevano una schermatura che assorbiva i raggi X prima che sfuggissero ed esponessero gli spettatori.)
2. Usando considerazioni sull’energia e assumendo una resistenza dell’aria trascurabile, mostra che un sasso lanciato da un ponte a 20,0 m sopra l’acqua con una velocità iniziale di 15. 0 m/s colpisce l’acqua con una velocità di 24,8 m/s indipendentemente dalla direzione del lancio.0 m/s colpisce l’acqua con una velocità di 24,8 m/s indipendentemente dalla direzione del lancio.
3. Se l’energia delle bombe a fusione fosse usata per soddisfare il fabbisogno energetico del mondo, quanti della varietà da 9 megatoni sarebbero necessari per un anno di fornitura di energia (usando i dati della tabella 1)? Questo non è così inverosimile come può sembrare – ci sono migliaia di bombe nucleari, e la loro energia può essere intrappolata in esplosioni sotterranee e convertita in elettricità, come l’energia geotermica naturale.
4. (a) L’uso della fusione dell’idrogeno per fornire energia è un sogno che potrebbe essere realizzato nel prossimo secolo. La fusione sarebbe una fornitura di energia relativamente pulita e quasi illimitata, come si può vedere dalla tabella 1. Per illustrare questo, calcola per quanti anni l’attuale fabbisogno energetico del mondo potrebbe essere fornito da un milionesimo dell’energia di fusione dell’idrogeno degli oceani. (b) Come si confronta questo tempo con eventi storicamente significativi, come la durata di sistemi economici stabili?

Selected Solutions to Problems & Exercises

1. 4 × 104 molecole

2. Eguagliando ΔPEg e ΔKE, otteniamo v=sqrt{2gh+v_0^2}=sqrt{2\sinistra(9.80{ m/s}^2} destra)\sinistra(20.0{ m} destra)+\sinistra(15.0{ m/s} destra)^2}=24.8\testo{ m/s}

4. (a) 25 × 106 anni; (b) Questo è molto, molto più lungo delle scale temporali umane.

1. Valori rappresentativi ↵