ENERGIA

Queste note hanno lo scopo di consentire a tutte le persone con scarse conoscenze di fisica - e che leggeranno le note sul laser LLLB (raggio laser di basso livello) applicato ai trattamenti medici LLLT (trattamento laser di basso livello) - di acquisire un nozione minima dei fattori coinvolti nel processo.
Dunque si potrà parlare adeguatamente di potenza termica, produzione di luce, durata del trattamento LLLT e dose.

NOZIONE DI "LAVORO"
Con l'aiuto di questa figura, spiego cosa si intende per lavoro (noto anche come "energia") con un esempio di un calcolo fatto trascurando attrito, rendimento e accelerazione (nel transitorio).
Abbiamo qui rappresentato sommariamente in figura un paranco con il quale vogliamo sollevare due metri un peso di 1000 Kg.

Figura 1

Per sollevare il peso di 2 metri come indicato in figura, è necessario utilizzare una forza minima di 1000 kg per vincere la forza di gravità. Usando le opportune unità di misura diciamo che l'energia meccanica minima richiesta è uguale o superiore a 2000 kgm. Cioè definiamo il "LAVORO", noto anche come "energia".

IL "LAVORO" [L], CIOÉ L'ENERGIA, É IL PRODOTTO DI FORZA USATA [F] E SPOSTAMENTO [S] CONTRO LA GRAVITÀ.
Nel nostro caso il 'lavoro' è di 1000 kg x 2 m.

L = F x S cioé 1000 x 2

In sintesi, finora sono state definite le seguenti variabili:

FORZA       F = 1000 kg nel nostro caso si devono sollevare 1000 kg
SPOSTAMENTO S = 2m nel nostro caso.
LAVORO      L = 2000 [kgm].

Vedremo poi le unità finali che vengono utilizzate in vari sistemi e i loro equivalenti convenzionali.

Circa il tempo per sollevare il peso, è chiaro che possiamo impiegare tempi diversi.
Se ad esempio possiamo voler impiegare 60 secondi piuttosto che 30 secondi o 10 secondi, cosa cambia?
Sembra ovvio che debba cambiare la velocità, e quindi la potenza richiesta dal complesso motoriduttore dell'argano.

La velocità di sollevamento e la potenza richiesta sono inversamente proporzionali al tempo che vogliamo usare per l'operazione di sollevamento. Ovverosia a un tempo di sollevamento minore corrisponde una velocità di sollevamento maggiore e quindi serve una maggiore potenza.

VELOCITÀ:
La velocità media V è il rapporto tra lo spazio S e il tempo T richiesto per percorrerlo. Abbiamo l'esperienza di quando guidiamo una macchina o una moto.

V = S / T

Se, ad esempio, abbiamo guidato da Milano a Roma e abbiamo impiegato sei ore per fare 700 km, la nostra velocità media è stata:

Vm = 700/6 ovvero 117 km/h

Allo stesso modo si può calcolare la velocità media impiegata dall'argano per sollevare il peso.

POTENZA
LA POTENZA [W] È DEFINITA COME RAPPORTO TRA IL LAVORO (in questo caso l'energia meccanica necessaria per sollevare il peso) E IL TEMPO RICHIESTO PER ESEGUIRLO.
Facendo un calcolo elementare della potenza richiesta per sollevare il nostro peso di 1000 Kg di due metri, se vogliamo eseguire il lavoro precedente in 10 secondi, la potenza necessaria è approssimativamente

W = 200 Kgm/s (2000/10)

Con una velocità di sollevamento media di

V = 2/10 = 0,2 metri al secondo.

Ovviamente, la potenza è inversamente proporzionale alla velocità di sollevamento o al tempo impiegato.

W = L / T

Poiché la potenza richiesta è il rapporto tra l'energia necessaria L e il tempo T impiegato, può anche essere scritta come un prodotto della forza F e della velocità di sollevamento:

W = (F x S)/T  infatti W = F x (S / T) e quindi W = F x V

PER RIASSUMERE, ABBIAMO DEFINITO LE SEGUENTI GRANDEZZE

1. SPOSTAMENTO     S = 2m
2. TEMPO RICHIESTO T = 10s
3. FORZA DI SOLLEVAMENTO F = 1000kg
4. ENERGIA (LAVORO)      L = 2000kg
5. VELOCITÀ DI SOLLEVAMENTO MEDIA V = S/T (0,2m/s CIOÈ venti centimetri al secondo)
6. POTENZA (F V)    W = 200kgm/s (minimo ideale indipendentemente dall'attrito e ACCELERAZIONE all'avviamento)

Con un calcolo un po' più complesso, si potrebbe calcolare anche il lavoro necessario per l'accelerazione, cioè per portare il peso dalla velocità 0 alla velocità di sollevamento a regime, e il picco di potenza richiesto. E ricalcolare anche di quanto deve aumentare la velocità perché la velocità media richiesta sia quella stabilita. Ma questo va fuori del nostro tema. Se volete fatevelo da voi.

TIPI DI ENERGIA

Il dispositivo dell'esempio mostrato sopra trasforma l'energia ELETTRICA in MECCANICA, cioè per serve per sollevare un peso mediante un motore elettrico.
L'energia si presenta appunto in diverse forme principali. A seconda di come si manifesta può eserre MECCANICA, ELETTRICA, TERMICA, CHIMICA e dal 20° secolo anche energia NUCLEARE (atomica).
OGNI FORMA DI ENERGIA PUÒ ESSERE TRASFORMATA IN UN'ALTRA, IN MOLTI MODI.

Permettetemi alcuni semplici esempi:

• L'energia eolica (energia del vento) è una forma di energia meccanica a sua volta generata dalla combinazione di altri tipi di energia. Può essere trasformato in elettricità attraverso le turbine eoliche.
• L'energia idroelettrica è un tipo di energia simile, ma molto più cospicua.
• L'energia solare (energia solare), in termini generali, è una forma di energia termica e luminosa insieme, poiché è composta da radiazioni elettromagnetiche di diverse lunghezze d'onda. GENERA TUTTI I FENOMENI CHIMICI ED ENERGETICI NECESSARI ALLA VITA SULLA TERRA. Può essere trasformata in calore utilizzando lo SCAMBIATORE DI CALORE SOLARE o in energia elettrica CON I PANNELLI SOLARI FOTOVOLTAICI.
• Energia da combustibili fossili. Si ottiene dalla reazione chimica tra il combustibile e il contenuto di ossigeno nell'aria (ossidante). Ricordiamo che a loro volta i carburanti sono stati generati da materiali vegetali e animali durante le ere geologiche, quindi da una combinazione di energia chimica, meccanica e termica, e immagazzinati nella crosta terrestre. I combustibili fossili vengono estratti e utilizzati anche per la generazione diretta di calore o altri tipi di energia derivata.
• Energia chimica che proviene da reazioni chimiche e che esempio in celle a combustibile o altri tipi di batterie utilizzate per generare elettricità. A rigor di termini anche la combustione è un tipo di energia chimica, derivante dall'ossidazione di elementi combustibili.
• L'energia nucleare (energia atomica) è una forma di energia che deriva da profonde modificazioni della struttura della materia, perché deriva dalla fissione o fusione dei nuclei degli atomi di particolari elementi chimici.

ENERGIA POTENZIALE

Ritornando all'esempio di figura 1, dopo aver sollevato il peso di 2 m, abbiamo trasformato l'energia elettrica in energia meccanica potenziale.
In fisica, l'energia potenziale immagazzinata in un oggetto è l'energia che possiede a causa della sua posizione o del suo orientamento rispetto a un campo di forza (nel caso dell'esempio è la forza conservativa che agisce sul peso a causa della gravità).

Più in generale, indipendentemente dalle definizioni fisiche dell'ortodossia, l'energia potenziale può essere pensata come la capacità di un oggetto (o sistema) di trasformare la propria energia in un'altra forma di energia.

RENDIMENTO O EFFICIENZA ENERGETICA
L'ENERGIA in tutti i processi non diventa interamente energia utile allo scopo per il quale avviene la trasformazione, ma una parte di essa viene persa e non è utilizzata.
In ogni trasformazione possiamo misurare il rendimento della TRASFORMAZIONE (EFFICIENZA). Prendendo l'esempio dell'argano nella foto, mettiamo alcuni numeri:

Input = 2250kgm	Trasformazione	Energia utile =2000 kgm
	Energia perduta 250= kgm

In questo caso abbiamo ottimisticamente ipotizzato che l'energia perduta a causa dell'attrito nell'accoppiamento, l'efficienza del motore e altri fattori sia l'11% dell'input e sia persa come calore.
In questo caso, il rendimento (efficienza) è la relazione tra l'energia utile e l'energia totale fornita. In questo caso è 2000/2250 = 0,89 (89%)

NOTA: nel caso pratico si deve tener conto del fatto che per iniziare la salita e arrivare alla velocità impostata c'è un'accelerazione, quindi la potenza del motore dovrebbe essere maggiore a seconda della velocità media richiesta.

ESEMPIO riguardante un raggio laser: un modulo laser a stato solido riceve energia elettrica in ingresso ed emette un fascio di energia polarizzata elettromagnetica (luce polarizzata). Anche in questo caso, la potenza della luce polarizzata del raggio è inferiore alla potenza di ingresso elettrica, quindi una parte dell'energia riscalda il modulo stesso e si perde nell'ambiente

UNITÀ DI MISURA DELLE GRANDEZZE FISICHE

Le unità di misura delle quantità devono essere tali da rendere coerenti e misurabili tutti i tipi di trasformazione energetica. Le basi del sistema sono le unità di misura delle variabili fondamentali, comprese quelle utilizzate per misurare lo spazio, il tempo e la forza, da cui derivano tutte le altre.

Un sistema di unità di quantità fisiche deve essere coerente, cioè le loro quantità derivate devono essere ottenute elaborando le quantità fisiche fondamentali.

Esistono diversi sistemi di misura. Ad esempio, nell'Europa continentale siamo abituati a utilizzare il sistema metrico, ed è comunemente noto che la forza viene misurata in Kg, lo spazio in metri e il tempo in secondi, minuti e ore.
Nei paesi anglosassoni il peso si misura in libbre,lo spazio in piedi e pollici, cioè è comunemente ancora in uso il sistema imperiale.

Ne viene quindi la necessità di avere un sistema unificato di unità di misura. Nel tempo è stato detrminato il SISTEMA INTERNAZIONALE, che viene finora utilizzato principalmente per scopi scientifici e tecnici.
Naturalmente si possono ancora usare le proprie unità, quindi i fattori di conversione sono usati per esprimere le unità di misura di altri sistemi.

Per avere un'idea completa di tutte le unità esistenti possiamo documentarci su Wikipedia o altri siti. Comunque diamo qui una tabella di conversione delle uniche unità di grandezza FORZA POTENZA SPAZIO e loro derivate.

FORZA	Newton N	Kg Forza Kgf	Libbre forza lbs
1 Newton	1,00	1 / 9,81	1/ 4,48
1 Kg Forza	9,807	1,00	2,24
1 libbra forza	4,48	0,454	1,00
SPAZIO	Metro m	Centimetro cm	Millimetro mm	Piede Ft	Pollice in
1 Metro	1	100	1000	3,28	39,37
1 Centimetro	0,010	1	10	0,0328	0,3937
1 Piede	0,3048	30,48	304,8	1	12
1 Inch	0,0254	2,54	25,4	0,0833	1
ENERGIA	Kgfxm	Kcal	British Thermal Unit (BTU)	Kwh	JOULE (J)	N x m
1 Kgf x m	1	0,0023	0,0093	1/367092	9,807	9,807
1 Kcal	426,93	1	3,97	0,0012	4,1868K	4186,8K
1 BTU	107,58	0,252	1	0,00029	1,0551K	1055,1K
1 Kwh	367092	859,8	3412,14	1	3600000	3600000
1 JOULE (J)	0,102	0,00024	0,00095	1/3600K	1	1
1 Newton x m	0,102	0,00024	0,00095	1/3600K	1	1

Ad esempio di differenza tra il simbolo che indidua la grandezza e quello della misura della quantità si scrive l (elle) = 10m per indicare una lunghezza di 10 metri.
Le grandezze derivate che ci interessano particolarmente sono:

ESEMPIO DI APPLICAZIONE: quando scriviamo una formula o qualsiasi relazione con determinati simboli, per verificare se è corretta dobbiamo eseguire una analisi dimensionale.

Ad esempio, calcoliamo la velocità media V del flusso di un liquido incomprimibile in un tubo di diametro D, conoscendo la portatain peso Q e il peso specifico γ del fluido stesso.
Dobbiamo verificare per prima cosa che la nostra formula per calcolare la velocità V dia il risultato in metri al secondo

Per verificare se la formula è corretta inseriremo le seguenti dimensioni per le variabili coinvolte e quindi utilizzeremo l'analisi dimensionale

Portata in peso     Q = [kg / s] (Kilogrammmi al secondo)
Peso specifico      γ = [Kg m-3] (Kilogrammmi al metro cubo)
Diametrodel tubo    D = [m] (diametro interno in metri)

Sostituendo nelle formule precedenti i simboli delle unità di misura con quelli delle grandezze e tralasciando ovviamente i numeri 4 e π che sono grandezze adimensionali (cioé non hanno un'unità di misura) ci ottiene

Si elide il simbolo kg che sta sia nel numeratore che nel denominatore, mentre il rapporto di m al cubo e m al quadrato lascia m al numeratore.
Quindi la formula è esatta, se alle costanti adimensionali è attribuito il valore corretto.

Sembra chiaro che se il risultato non fosse [m/s], la formula sarebbe errata. Se l'unità di misura delle variabili non fosse omogenea, anche il risultato del calcolo sarebbe errato, a meno che non ci sia un adatto coefficiente di conversione.

Non possiamo, ad esempio, esprimere il diametro in centimetri, insieme col peso specifico in libbre per pollice cubo, o il flusso in tonnellate all'ora. Le unità di misura devono essere tutte coerenti con l'unità desiderata per il risultato della formula, in questo caso [m/s]

Revisione 1 - 10 marzo  2017