Nella fisica
I concetti di lavoro e potenza ci aiutano a comprendere
e spiegare un sacco di cose nel nostro universo.
Iniziamo con il lavoro.
Il lavoro positivo è l'energia che introduciamo in un sistema,
ed il lavoro negativo è l'energia che viene trasferita all'esterno.
Immaginte il lavoro positivo come ad una somma di denaro che viene aggiunta al vostro conto in banca
e al lavoro negativo come al denaro prelevato.
Nel sistema metrico
lavoro ed energia sono misurati in joule.
Come esempio prendiamo un bell'orologio antico a pendolo.
Trasferiamo l'energia all'orologio
quando giriamo la manovella
per sollevare i due pesanti cilindri al suo interno.
Facendo questo, stiamo esercitando una forza positiva,
aggiungendo energia all'orologio,
e quell'energia viene immagazzinata come potenziale energia gravitazionale.
Possiamo calcolare l'ammontare di lavoro esercitato moltiplicando la forza che applichiamo
per la distanza su cui applichiamo la forza.
Per sollevare i cilindri metallici
dobbiamo applicare una forza equivalente al loro peso.
Il che vuol dire: uguale alla forza di gravità
che attrae verso terra i cilindri.
Questi cilindri pesano 300 newton,
sono piuttosto pesanti,
circa quanto un piccolo bambino,
e se li solleviamo di mezzo metro,
allora applichiamo 300 newton
moltiplicato per 0,5 metri
o 150 joule di lavoro.
La potenza è la velocità con la quale l'energia viene trasferita.
Quando diciamo velocità,
intendiamo la quantità di energia trasferita
per unità di tempo.
Nel sistema metrico, la potenza viene misurata in
joule per secondo,
o watt.
Il termine watt risale a James Watt,
il quale inventò il termine di cavallo vapore
per misurare la quantità di potenza
prodotta da un tipico cavallo da traino.
James Watt era un produttore di macchine a vapore industriali
e voleva che i suoi potenziali clienti
riuscissero a fare paragoni
tra le sue macchine a vapore e una quantità a loro conosciuta,
la potenza che potevano ottenere da un cavallo al lavoro.
Fu un'idea così utile
che l'unità del sistema metrico per la potenza, il watt,
prese il nome proprio da James Watt.
Seguendo i passi di James Watt
paragoniamo l'ammontare di potenza che ci vuole
per far funzionare questo orologio a pendolo
alla potenza di cui avremmo bisogno per illuminare
una lampadina da 100 watt.
Possiamo misurare la potenza che una persona usa
per caricare l'orologio
dividendo la quantità di lavoro svolto
per il tempo necessario ad eseguirlo.
Se ci vuole 1 minuto, o 60 secondi,
per sollevare i pesi,
allora sta esercitando 150 joule
diviso per 60 secondi,
o 2,5 joule per secondo di lavoro.
Sta aggiungendo energia all'orologio
nella misura di 2,5 watt.
È necessaria 40 volte quell'energia
per illuminare una lampadina da 100 watt.
Prima di far funzionare l'orologio
l'energia viene immagazzinata
come potenziale energia gravitazionale dei cilindri.
È come il vostro conto in banca
quando avete appena depositato del denaro.
Ma se lasciamo funzionare l'orologio,
i cilindri lentamente si muoveranno verso il basso.
L'energia sta abbandonando l'orologio.
Infatti, quando i cilindri raggiungono il fondo,
tutta l'energia che avevamo inserito avrà abbandonato l'orologio.
Quindi, quanta potenza usa l'orologio?
In altre parole, quanti joule di energia per secondo abbandonano l'orologio
se i cilindri impiegano 5 giorni per ritornare alla loro posizione iniziale?
Possiamo calcolarlo
perché sappiamo già quanto lavoro abbiamo esercitato
quando abbiamo sollevato i cilindri:
150 joule.
Ma questa volta, ci sono voluti 5 giorni invece di un minuto.
Cinque giorni è 5 x 24
x 60
di nuovo x 60
o 432 000 secondi.
Quindi dividiamo il lavoro esercitato per il tempo
e otteniamo come risultato circa 0,00035 joule per secondo
o circa 0,35 milliwatt.
È una minuscola quantità di potenza.
Questo orologio usa così poca potenza
che riuscireste a farne funzionare 300 000
sfruttando la stessa potenza che ci vuole per illuminare una sola lampadina da 100 watt.
È vero! Potresti far funzionare un orologio in ogni casa
in una città di medie dimensioni con quella potenza.
È una conclusione piuttosto sbalorditiva
e ci è voluta la conoscenza del lavoro
e della potenza per capirlo.