Nella nostra esperienza quotidiana comprendiamo e usiamo la parola energia come qualcosa sempre legato al movimento. Ad esempio, perché un'auto funzioni ha bisogno di carburante, perché gli esseri umani lavorino e svolgano le loro attività quotidiane devono mangiare. Qui associamo sia il carburante che il cibo all'energia. D'ora in poi ci sposteremo verso una definizione più precisa di energia.
Il movimento di un'auto, di una persona o di qualsiasi oggetto ha energia, questa energia legata al movimento è chiamata energia cinetica. Un corpo in movimento, che possiede energia cinetica, può compiere lavoro entrando in contatto con un altro corpo o oggetto e trasferendogli energia.
Tuttavia, un oggetto a riposo può anche avere energia, il che rende insufficiente il solo mettere in relazione il concetto di energia con il movimento. Ad esempio, un oggetto fermo ad una certa altezza dal suolo possiede energia. Questo oggetto, una volta abbandonato, inizia un movimento e aumenta di velocità nel tempo, questo si verifica perché la forza peso fa un lavoro e la fa muovere, cioè acquista energia cinetica. Si dice che un oggetto a riposo possiede un'energia chiamata energia potenziale gravitazionale, che varia in base alla sua altezza rispetto al suolo.
Un'altra forma di energia è l'energia potenziale elastica, presente in una molla compressa o allungata. Quando comprimiamo o allunghiamo una molla, eseguiamo lavori per ottenere la deformazione e possiamo osservare che, dopo rilasciata, la molla acquisisce movimento - energia cinetica - e ritorna nella posizione iniziale dove non era stata allungata o compresso.
Quindi, più specificamente, possiamo dire che l'energia cinetica è l'energia o la capacità di eseguire lavoro dovuto al movimento e che l'energia potenziale è l'energia o la capacità di fare lavoro a causa di posizione.
In meccanica esistono due forme di energia potenziale: una associata al lavoro con i pesi, chiamata energia potenziale gravitazionale, e un altro relativo al lavoro della forza elastica, che è l'energia potenziale elastico. Ora studiamo più in dettaglio queste due forme di energia potenziale.
1. Energia potenziale gravitazionale
È l'energia associata alla posizione in cui si trova il corpo. Guarda la figura 1 e considera il corpo di massa m inizialmente fermo nel punto b. Il corpo si trova ad un'altezza h rispetto al suolo a. Quando viene abbandonata dal riposo, a causa della sua massa, la forza peso esegue un lavoro sul corpo e acquisisce energia cinetica, cioè inizia a muoversi.
Il lavoro che fa il peso della sfera ci permette di misurare l'energia potenziale gravitazionale, quindi calcoliamo il lavoro.
Considerando il punto a come punto di riferimento, lo spostamento da b ad a è dato da h, il modulo della forza peso essendo dato da P = m.g e o angolo tra la direzione di applicazione del peso della forza e lo spostamento α = 0º, poiché entrambi sono nella stessa direzione, basta applicare la definizione di lavoro (τ):
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τ=F.d.cosα
Se F è uguale alla forza peso P=mg, lo spostamento d = h e α = 0º (cos 0º = 1), sostituendo nell'equazione 1, avremo:
τ=F.d.cosα
τ=m.g.h.cos 00
=m.g.h
Pertanto, l'energia che mette in relazione la posizione di un oggetto al suolo, l'energia potenziale gravitazionale, è calcolata da:
EP= m.g.h
Equazione 2: Energia potenziale gravitazionale
Su cosa:
Ep: energia potenziale gravitazionale;
g: accelerazione gravitazionale;
m: massa corporea.
2. Energia potenziale elastica
Consideriamo il sistema molla-massa in figura 2, dove abbiamo un corpo di massa m attaccato a una molla di costante elastica k. Per deformare la molla dobbiamo fare un lavoro, come dobbiamo spingerla o allungarla. Quando lo facciamo, la molla acquisisce energia potenziale elastica e, una volta rilasciata, torna nella posizione iniziale, dove non c'era deformazione.
Per ottenere l'espressione matematica dell'energia potenziale elastica, dobbiamo procedere nello stesso modo che abbiamo fatto per l'energia potenziale gravitazionale. Quindi, otterremo l'espressione dell'energia potenziale elastica immagazzinata in un sistema massa-molla dal lavoro che la forza elastica esercita sul blocco.
Quando il sistema massa-molla è nel punto A, non c'è deformazione nella molla, cioè non è né allungata né compressa. Quindi, quando lo allunghiamo verso B, appare una forza, chiamata forza elastica, che lo fa tornare in A, la sua posizione iniziale, quando viene abbandonato. Il modulo della forza elastica esercitata dalla molla sul blocco è dato dalla legge di Hooke:
Fel = k.x
Dove Fel indica la forza elastica, k è la costante elastica della molla e x è il valore della contrazione o allungamento della molla.
Il lavoro della forza elastica per uno spostamento d = x è dato da:
Pertanto, l'energia associata al lavoro della forza elastica, Energia Potenziale Elastica, è data anche da:
Su cosa:
Anguilla: energia potenziale elastica;
k: costante della molla;
x: deformazione della molla.
Si osserva che la sfera di massa m sospesa rispetto al suolo e al sistema molla-massa, quando è allungata o compressi, hanno la capacità di lavorare, poiché hanno immagazzinato energia a causa della loro posizione. Questa energia immagazzinata a causa della posizione è chiamata Energia Potenziale.
Di Nathan Augusto
Laureato in Fisica
