Officina dell'Energia › Parte 1 › Che cos'è l'energia
La premessa indispensabile: prima delle formule, il significato.
«Non ho energie stamattina», «bolletta dell'energia», «bevanda energetica». Usiamo questa parola in continuazione, e proprio per questo è difficile darle un significato preciso. In fisica l'energia non è una sostanza e non è un fluido invisibile: è una grandezza fisica scalare associata allo stato di un sistema. Possiamo attribuirle un valore, calcolarne le variazioni e seguirne i trasferimenti e le trasformazioni.
Per questa prima lezione useremo una descrizione concettuale semplice:
Un sistema dotato di energia può produrre cambiamenti quando interagisce con altri sistemi.
Leggiamo con attenzione le idee che compaiono in questa definizione.
Sistema. In fisica un sistema è la parte della realtà che decidiamo di studiare: una pallina, una molla, un'automobile, l'acqua contenuta in un recipiente. Tutto ciò che non appartiene al sistema costituisce l'ambiente esterno.
Stato di un sistema. Lo stato descrive le condizioni in cui il sistema si trova in un certo istante. Può essere descritto mediante grandezze già note, come posizione, velocità, temperatura o deformazione.
Trasferimento di energia. Quando due sistemi interagiscono, l'energia può passare da uno all'altro. In questo caso un sistema può perdere energia mentre l'altro ne acquista.
Trasformazione dell'energia. L'energia può cambiare il modo in cui si manifesta. Una molla compressa, per esempio, possiede energia in quanto deformata; quando viene liberata la deformazione scompare e al suo posto compare il movimento dell'oggetto che la molla spinge.
Non è necessario che l'energia passi a un altro sistema: la trasformazione può avvenire all'interno dello stesso corpo. Un oggetto che cade perde quota e in cambio acquista velocità, senza che nulla venga ceduto ad altri.
Modificare lo stato. Un cambiamento di energia può essere accompagnato da un cambiamento osservabile del sistema: può cambiare la velocità, la posizione, la temperatura, la deformazione o un'altra grandezza che descrive il suo stato.
Un martello in movimento ha energia perché può piantare un chiodo: modifica lo stato del chiodo. Un masso in bilico su una rupe ha energia perché potrebbe cadere e sfondare un tetto. Una molla compressa ha energia perché, liberata, può scagliare una biglia. In tutti e tre i casi diciamo che il sistema «ha energia» perché è in grado di produrre un cambiamento.
Immagina di spingere un carrello fermo. A parità delle altre condizioni, l'effetto della tua spinta non dipende solo da quanto forte spingi: dipende anche da come e per quanto tempo o per quanto spazio la forza agisce.
Nei casi più semplici possiamo seguire due strade diverse, che portano a due capitoli della fisica:
Le due strade non sono in concorrenza: sono modi complementari di descrivere la stessa realtà.
L'effetto di una forza non dipende soltanto dalla sua intensità, ma anche da come e per quanto essa agisce.
Figura 1 — L'effetto di una forza dipende dalla sua intensità e da come e per quanto essa agisce.
Nella simulazione Il lavoro di una forza costante puoi cambiare il valore della forza e la posizione del corpo: osserva come gli effetti del lavoro si manifestano in termini di velocità.
Sono due fenomeni diversi ed è importante non confonderli.
Immaginiamo un oggetto lasciato cadere da una certa altezza. Mentre cade, la sua altezza diminuisce e la sua velocità aumenta. L'energia associata al sistema non è scomparsa: è cambiato il modo in cui essa si manifesta.
Se il sistema scelto non scambia energia con l'esterno, durante una trasformazione l'energia totale del sistema resta invariata, anche se cambia il modo in cui è distribuita o si manifesta.
Quando due sistemi interagiscono, uno può perdere energia e l'altro acquistarla. In un trasferimento, quindi, l'energia di ciascun sistema preso separatamente può aumentare o diminuire perché energia attraversa il confine del sistema.
Trasformazione e trasferimento possono avvenire anche contemporaneamente. La distinzione serve a capire se l'energia sta cambiando modo di manifestarsi all'interno del sistema oppure sta passando da un sistema a un altro.
Un sistema può avere energia e questa energia può cambiare quando il sistema interagisce con ciò che lo circonda. Nella prossima lezione vedremo come descrivere quantitativamente uno dei modi in cui questo scambio può avvenire.
Figura 2 — Una catena energetica: l'energia trasferita dalla radiazione solare viene immagazzinata come energia chimica, poi trasferita dall'organismo mediante lavoro e infine compare come energia potenziale gravitazionale del sistema Terra-corpo.
L'energia può manifestarsi in modi diversi a seconda del sistema studiato: possiamo parlare, per esempio, di energia chimica, interna o termica, elettrica, nucleare o radiante.
In questo percorso ci concentreremo soprattutto sull'energia meccanica. Dal punto di vista meccanico distinguiamo due grandi categorie:
L'energia potenziale può poi assumere forme diverse a seconda dell'interazione considerata: in questo corso incontreremo soprattutto quella gravitazionale e quella elastica.
| Forma di energia | Da che cosa dipende | Esempio |
|---|---|---|
| Cinetica (Ec) | Dalla massa e dalla velocità del corpo | Un'automobile in corsa, una freccia in volo |
| Potenziale gravitazionale (U) | Vicino alla superficie terrestre, dalla massa e dall'altezza rispetto a un riferimento | L'acqua nel bacino di una diga |
| Potenziale elastica (Ue) | Dalla rigidità del sistema elastico e dalla sua deformazione | Un arco teso, la sospensione di un'auto |
L'energia meccanica è la somma dell'energia cinetica e delle energie potenziali considerate nel modello. In altre parole, rappresenta la parte dell'energia del sistema legata al movimento e alla configurazione meccanica.
Prima di parlare di conservazione è importante distinguere due concetti.
L'energia totale comprende tutte le forme di energia presenti nel sistema. L'energia meccanica comprende invece soltanto la parte legata al movimento e alla configurazione meccanica: energia cinetica ed energie potenziali.
In un sistema isolato, cioè che non scambia energia con l'esterno, l'energia totale si conserva: può trasformarsi da una forma all'altra, ma la quantità totale rimane la stessa.
L'energia meccanica, invece, non sempre si conserva. Immaginiamo un blocco che scivola su un pavimento ruvido: mentre si muove rallenta e il blocco e il pavimento si riscaldano leggermente. La parte di energia legata al movimento diminuisce, mentre aumenta l'energia interna dei corpi coinvolti.
L'energia non è scomparsa: è stata trasformata. Se nel bilancio consideriamo tutte le forme di energia del sistema, il totale continua a conservarsi. Perciò l'energia meccanica è soltanto una parte dell'energia totale.
Lavoro ed energia hanno la stessa dimensione fisica e si misurano entrambi in joule, simbolo J, dal nome del fisico inglese James Prescott Joule. Il motivo è che il lavoro misura una quantità di energia trasferita mediante una forza.
Un joule è una quantità piuttosto piccola nella vita quotidiana. Questi ordini di grandezza ti aiuteranno a capire se il risultato di un esercizio è ragionevole:
| Situazione | Energia in gioco (circa) |
|---|---|
| Un battito del cuore | 1 J |
| Sollevare un libro da 0,5 kg di un metro | 5 J |
| Un pallone da calcio (0,45 kg) calciato a 25 m/s | 140 J |
| Uno studente di 60 kg che sale una rampa di scale (3 m) | 1 800 J |
| Un'automobile di 1000 kg a 100 km/h | 390 000 J |
| Un apparecchio da 1 kW acceso per un'ora (1 kWh) | 3 600 000 J |
L'energia misura una quantità trasferita, trasformata o immagazzinata e si esprime in joule (J) o, in alcuni contesti, in kilowattora (kWh). La potenza indica invece quanto rapidamente l'energia viene trasferita o trasformata e si misura in watt (W), con 1 W = 1 J/s. Un kilowattora è un'unità di energia: 1 kWh = 3,6 MJ = 3 600 000 J.
Perché le formule dell'energia funzionino, le grandezze vanno sempre espresse nel Sistema Internazionale: masse in chilogrammi, lunghezze in metri, velocità in metri al secondo. Una velocità in km/h va convertita dividendo per 3,6. Un grammo dimenticato o un centimetro non convertito producono risultati sbagliati di ordini di grandezza.
Hai già gli strumenti per studiare il moto: le leggi della cinematica e i principi della dinamica. Perché imparare un metodo nuovo?
Immagina una biglia che parte ferma dalla cima di una pista curva, piena di salite, discese e tratti a chiocciola, e ti si chieda: con quale velocità arriva in fondo? Con la dinamica dovresti conoscere in ogni istante la direzione della pista, scomporre la forza peso, calcolare l'accelerazione punto per punto: un procedimento molto più lungo e complesso.
Se possiamo trascurare attriti e altre dissipazioni, con il metodo energetico la velocità finale dipende dal dislivello complessivo e non dalla forma dettagliata della pista. In questo caso molta della geometria, che sembrava decisiva, sparisce dal conto.
Quando il bilancio dipende solo dagli stati iniziale e finale, il metodo energetico permette di evitare molti dettagli intermedi. È come confrontare due fotografie invece di ricostruire tutto il film. Questa scorciatoia è potentissima, ma non vale allo stesso modo in ogni situazione: per esempio, in presenza di attrito il lavoro dissipativo può dipendere dal percorso seguito.
Questo è anche un limite importante: il bilancio energetico, da solo, in genere non determina il tempo impiegato. Se il problema chiede «dopo quanti secondi?», occorrono informazioni aggiuntive e spesso bisogna tornare alla cinematica e alla dinamica. Saper scegliere lo strumento giusto è parte della competenza di un fisico.
Ora sai che cos'è l'energia e perché vogliamo misurarla attraverso forza e spostamento. Il piano di lavoro è questo:
Il valore dipende dal livello scelto come riferimento. Se poniamo a zero l'energia potenziale sul piano del tavolo, il libro ha energia potenziale gravitazionale nulla rispetto a quel riferimento; rispetto al pavimento, invece, il valore è positivo. Ciò che conta fisicamente nelle trasformazioni sono soprattutto le variazioni di energia potenziale.
Perché il lavoro non è una proprietà del corpo: descrive una quantità di energia trasferita mediante una forza durante uno spostamento. Un sistema può avere energia; il lavoro riguarda invece un processo di trasferimento.
Non necessariamente. L'energia trasferita dipende dal prodotto forza × spostamento, non forza × tempo. Solo conoscendo lo spostamento compiuto dal primo carrello nei 2 secondi si potrebbero confrontare i due casi.
Perché le relazioni energetiche collegano soprattutto gli stati iniziale e finale e non descrivono necessariamente l'evoluzione temporale. Per trovare il tempo servono informazioni aggiuntive e spesso occorre usare cinematica e dinamica.
72 : 3,6 = 20 m/s. Nelle formule dell'energia va usato sempre questo valore, mai quello in km/h.
No. Una parte dell'energia meccanica viene trasformata in altre forme, soprattutto energia interna dei corpi e dell'ambiente. Se consideriamo un sistema isolato abbastanza ampio, l'energia totale continua a conservarsi.