1 Il lavoro e l’energia

Che cos’è il lavoro in fisica? 
Quali forme assume l’energia? 
Che cosa esprime la potenza? 

Lavoro ed energia sono due termini che spesso colleghiamo nella nostra vita di tutti i giorni: quando consideriamo, per esempio, che per svolgere un determinato compito, un’attività fisica, o mentale, abbiamo bisogno di una certa energia, o quando pensiamo a quanta energia, forza e resistenza debbano avere gli atleti per compiere le loro rispettive specialità.
Anche in fisica questi termini sono collegati, ma indicano grandezze ben precise, in relazione tra loro secondo leggi ben determinate.

CHE COS’È IL LAVORO

Siamo soliti considerare lavoro qualsiasi attività che richieda un impegno, fisico o mentale: lavoriamo, per esempio, quando studiamo per prepararci per un’interrogazione, o se stiamo costruendo o riparando qualcosa, quando puliamo o mettiamo in ordine una stanza, e così via. Inoltre, diciamo che svolgono un lavoro l’operaio, il medico, l’agricoltore.
In fisica, invece, si definisce lavoro di una forza il prodotto della forza applicata per lo spostamento che essa provoca nella stessa sua direzione.

Si tratta quindi di un termine che ha un significato molto più specifico, e in parte diverso, rispetto a quando lo si usa nel linguaggio di tutti i giorni.
Non solo è utilizzato esclusivamente in relazione allo spostamento prodotto da una forza, quindi a un fenomeno ben preciso, concreto e misurabile, ma occorre anche prestare attenzione a quale spostamento si considera: contribuisce a determinare il lavoro compiuto da una forza solo lo spostamento che si verifica nella stessa direzione della forza applicata.

Per esempio, quando applichiamo forza muscolare per sollevare una valigia compiamo un lavoro, perché la forza che applichiamo verso l’alto produce uno spostamento della valigia nella stessa direzione (1); se, però, usiamo la stessa forza per tenere ferma la valigia a una certa altezza da terra, non compiamo lavoro, perché non vi è spostamento del corpo (2); non esercita un lavoro neppure la forza con cui teniamo sollevata la valigia mentre, camminando, la spostiamo, perché lo spostamento della valigia non avviene nella direzione della forza applicata verso l’alto ed è, invece, la forza usata per camminare a produrre il lavoro che sposta la valigia (3).

Dalla formula L = F × s risulta che il lavoro è direttamente proporzionale all’intensità della forza e allo spostamento prodotto. Questo significa che per spostare un corpo a una distanza doppia è necessario un lavoro doppio, e che una forza di intensità doppia che produce uno spostamento uguale compie un lavoro doppio.
L’unità di misura del lavoro nel Sistema Internazionale è il joule (J), che deriva dalle unità di misura di forza e spostamento, cioè il newton e il metro: infatti 1 joule equivale al lavoro compiuto da una forza di 1 newton per ottenere lo spostamento di 1 metro.

Quando, come spesso accade, la forza viene espressa in chilogrammo-peso e non in newton, il lavoro viene indicato con un’altra unità di misura, il chilogrammetro (kgm), che equivale al lavoro compiuto da una forza-peso di 1 chilogrammo-peso che ottiene lo spostamento di 1 metro del corpo a cui è applicata, nella sua stessa direzione. Poiché 1 chilogrammo-peso equivale a 9,8 N, 1 chilogrammetro equivale a 9,8 J.