Lavoro di una Forza

Definizione

Il lavoro ll svolto da una forza costante che agisce su una particella mentre essa si sposta è dato dal prodotto scalare della forza per lo spostamento.

Equivale all'energia scambiata tra i due sistemi quando avviene uno spostamento per azione di una forza: dL=F⃗⋅drL=∑idL=∑iFi⃗⋅dri⃗\\ dL = \vec{F}\cdot d{r}\\ L = \sum_i dL = \sum_i \vec{F_i}\cdot d\vec{r_i}\\ =∫abF⃗dr⃗  [kg m2s2=J]= \int_a^b \vec{F} d\vec{r} \ \ [kg\ \frac{m^2}{s^2} = J]

L'unita di misura del lavoro di una forza sono i Joule, solitamente utilizzata per misurare l'energia.

Forza Peso

Il lavoro svolto dalla sola forza peso non dipende dalla traiettoria ma solo dal suo punto iniziale e finale (i,f). In particolare se:

  • La particella "sale" ci sarà un lavoro positivo;
  • La particella "scente" ci sarà un lavoro positivo;

Dimostrazione

Condizioni Iniziali:

{Fp⃗=−mgk^dr=dxi^+dyj^+dzk^ \begin{cases} \vec{F_p} = -mg\hat{k}\\ d{r} = dx\hat{i} + dy\hat{j} + dz\hat{k} \end{cases} L=Fp⃗⋅dr⃗⇒Li→f=∫ifdL=∫zizfmgdz=−mgzf−zi L = \vec{F_p}\cdot d\vec{r}\\ \\ \Rightarrow L_{i \to f} = \int_i^f dL = \int_{z_i}^{z_f}mgdz = -mg{z_f-z_i}

Reazioni vincolari

Le reazioni vincolari per definizioni non effettuano lavoro in quanto dr⃗d\vec{r} è ⊥\perp alla forza

Forza di Attrito

La forza di attrito compie lavoro, lavoro sempre negativo, in quanto opposto allo spostamento:

Fatt=−μd∣r⃗∣=−μdmgi^Latt=Fatt⋅dr⃗=−μdmg⋅Δr F_{att} = -\mu_d |\vec{r}| = -\mu_d mg\hat{i}\\ L_{att} = F_{att}\cdot d\vec{r} = -\mu_d mg\cdot \Delta r

Forza Elastica

Considerando una molla, se la molla è estesa la Forza elastica è negativa, al contrario se la molla è compressa la forza elastica sarà positivo, quindi:

Fk=−k(x−x0)i^F_k = -k(x-x_0)\hat{i}

dL=Fk⃗⋅dr⃗=−k(x−x0)dxdL = \vec{F_k} \cdot d\vec{r} = -k(x-x_0)dx

Li→f=∫ifdL=∫xixf−k(x−x0)dx=[−12k(x−x0)2]xixfL_{i\to f} = \int_i^f dL = \int_{x_i}^{x_f} -k(x-x_0)dx = [-\frac{1}{2}k(x-x_0)^2]_{x_i}^{x_f}

Nel caso in cui x0=0x_0 = 0 allora ⇒Li→f=12kxi2−12kxf2\Rightarrow L_{i\to f} = \frac{1}{2}kx_i^2 - \frac{1}{2}kx_f^2

Mentre invece nel caso in cui il lavoro è positivo allora il lavoro è spontaneo

Forza Generica

dL=dL =

Energia Cinetica

L'energia cinetica indicata con kk è definita come l'energia posseduta da un corpo come conseguenza del suo moto.

k=12m⋅v2 [J]k = \frac{1}{2}m\cdot v^2\ [J]

L=kf−kiL = k_f - k_i

Il lavoro è quindi uguale alla differenza di Energia cinetica finale ed iniziale