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I Piani di Riferimento

L'energia potenziale è relativa: quello che conta è sempre la differenza.

Al termine di questa lezione saprai

1. Una domanda mal posta

«Quanta energia potenziale ha questo libro?» Sembra una domanda legittima, ma non lo è: manca un'informazione indispensabile. Rispetto a che cosa?

Nella formula U = m · g · h compare l'altezza h, ma l'altezza si misura sempre a partire da qualcosa. Il piano del banco? Il pavimento dell'aula? Il cortile della scuola? Il livello del mare? Ognuna di queste scelte dà un numero diverso, e tutte sono ugualmente corrette.

Il confronto con l'energia cinetica

L'energia cinetica non ha questo problema: un corpo fermo ha Ec = 0 e basta. L'energia potenziale invece non ha uno «zero naturale», perché non esiste un'altezza privilegiata nell'universo. Siamo noi a doverlo scegliere, e la scelta va dichiarata all'inizio del problema.

2. Lo stesso libro, tre valori diversi

Un libro di 1,0 kg è appoggiato su un banco. Il banco è alto 0,80 m dal pavimento, l'aula si trova al secondo piano, 7,0 m sopra il cortile. Calcoliamo U con tre riferimenti diversi (g = 9,8 m/s²).

Riferimento scelto Altezza h del libro Energia potenziale U
Il piano del banco 0 m U = 0 J
Il pavimento dell'aula 0,80 m U = 1,0 · 9,8 · 0,80 = 7,8 J
Il cortile della scuola 7,8 m U = 1,0 · 9,8 · 7,8 = 76 J
libro (1,0 kg) banco → U = 0 J pavimento → U = 7,8 J cortile → U = 76 J 0,80 m 7,8 m Stesso libro, stessa posizione: tre numeri diversi, tutti corretti.

Figura 1 — Il valore di U dipende dal piano di riferimento scelto.

3. Perché la fisica non cambia

Se lo stesso libro può avere 0 J, 7,8 J oppure 76 J, l'energia potenziale sembra una grandezza poco seria. Non è così, e il motivo è semplice: nei problemi di fisica non compare mai U da sola, ma sempre una differenza di energia potenziale.

Guarda la formula del lavoro della forza peso:

LAB = UA − UB = m · g · hA − m · g · hB = m · g · (hA − hB)

Compare solo la differenza di quota hA − hB. Se sposti il riferimento verso il basso di 5 metri, sia hA sia hB aumentano di 5 metri, ma la loro differenza resta identica. Lo stesso accade nel principio di conservazione: l'energia meccanica totale cambia valore, ma cambia allo stesso modo nei due membri dell'equazione, e la soluzione non si muove di un millimetro.

Verifica numerica

Il libro cade dal banco al pavimento. Calcoliamo il lavoro della forza peso con i tre riferimenti della tabella.

Riferimento banco: L = 0 − (1,0 · 9,8 · (−0,80)) = 0 − (−7,8) = 7,8 J

Riferimento pavimento: L = 7,8 − 0 = 7,8 J

Riferimento cortile: L = 76 − 68,6 = 7,8 J

Tre calcoli diversi, un unico risultato fisico. Il libro arriva sul pavimento con la stessa energia cinetica in tutti e tre i casi, perché la fisica non sa nulla della nostra scelta.

4. L'energia potenziale può essere negativa

Se il corpo si trova sotto il piano di riferimento, la sua altezza è negativa e con essa l'energia potenziale. Una biglia sul fondo di un pozzo profondo 4 m, con riferimento al bordo, ha

U = m · g · (−4,0 m) < 0

Non c'è nulla di strano né di paradossale. Un valore negativo significa soltanto: «per riportare questo corpo al livello di riferimento bisogna fornirgli energia». È l'opposto del caso positivo, in cui il corpo può cedere energia scendendo fino al riferimento.

Attenzione al segno nei calcoli

Quando un corpo scende sotto il riferimento, h va inserita nella formula con il segno meno. È un errore frequente inserire 4,0 invece di −4,0 «perché tanto è una distanza»: il risultato cambia completamente. L'energia cinetica, invece, non può mai essere negativa.

5. Come scegliere bene il riferimento

Dato che tutte le scelte sono lecite, tanto vale scegliere quella che semplifica i conti. Tre regole pratiche:

  1. Metti lo zero nel punto più basso del moto. Così tutte le quote restano positive e uno dei due termini dell'equazione si annulla.
  2. Dichiaralo subito e disegnalo. Scrivi accanto allo schema «riferimento: il suolo» prima di iniziare i calcoli.
  3. Non cambiarlo a metà problema. È l'errore più insidioso: mescolare quote misurate da riferimenti diversi produce risultati senza senso, e in genere non ci si accorge dell'errore.
Problema Riferimento conveniente
Corpo che cade al suoloIl suolo
Corpo che scende lungo un piano inclinatoLa base del piano inclinato
Pendolo che oscillaIl punto più basso della traiettoria
Corpo che comprime una molla verticaleLa posizione finale del corpo a molla compressa
Corpo che risale un piano e poi ritornaIl punto di partenza

6. Esempi svolti

Esempio 1 — Due riferimenti a confronto

Un vaso di 2,0 kg si trova su un davanzale alto 4,0 m dalla strada. Sotto il davanzale, a 1,5 m dalla strada, c'è una tettoia. Calcola U rispetto alla strada e rispetto alla tettoia.

Rispetto alla strada: U = 2,0 · 9,8 · 4,0 = 78,4 J

Rispetto alla tettoia: h = 4,0 − 1,5 = 2,5 m → U = 2,0 · 9,8 · 2,5 = 49 J

Se il vaso cade sulla tettoia, l'energia cinetica con cui la colpisce è 49 J: è la differenza di quota fra vaso e tettoia a contare, non il valore assoluto di U.

Esempio 2 — Sotto il riferimento

Un secchio di 3,0 kg è appeso in un pozzo, 6,0 m sotto il bordo. Prendendo il bordo come riferimento, quanto vale U? Quanto lavoro serve per riportarlo su?

U = 3,0 · 9,8 · (−6,0) = −176,4 J

Portandolo al bordo U diventa 0, quindi ΔU = 0 − (−176,4) = +176,4 J da fornire.

Esempio 3 — La scelta che semplifica

Una palla cade da 5,0 m e rimbalza risalendo fino a 3,0 m. Quanta energia meccanica ha perso nell'urto? (m = 0,20 kg)

Riferimento: il suolo, dove avviene l'urto.

Prima: U = 0,20 · 9,8 · 5,0 = 9,8 J    Dopo: U = 0,20 · 9,8 · 3,0 = 5,88 J

Energia persa = 9,8 − 5,88 = 3,9 J

Mettendo il riferimento al suolo non abbiamo dovuto scrivere alcun termine cinetico: nei due istanti scelti la palla è ferma.

In sintesi

Verifica se hai capito

1. Se cambio il piano di riferimento, cambia la velocità con cui un corpo arriva al suolo?

No. La velocità finale dipende dalla differenza di quota, che non cambia. Cambiano i valori numerici di UA e UB, ma la loro differenza resta la stessa e il risultato fisico è identico.

2. Che cosa significa un'energia potenziale di −50 J?

Che il corpo si trova sotto il piano di riferimento e che occorrono 50 J per riportarlo fino a quel livello. Non significa che il corpo «manchi» di energia in senso assoluto.

3. Perché l'energia cinetica non ha lo stesso problema dell'energia potenziale?

Perché la velocità ha uno zero fisicamente riconoscibile: il corpo fermo rispetto al sistema in cui lavoriamo. L'altezza invece non ha uno zero naturale, dobbiamo sceglierlo noi.

4. Un corpo di 4,0 kg sale da 2,0 m a 6,0 m. Calcola ΔU con riferimento al suolo e con riferimento a una quota di 2,0 m.

Con riferimento al suolo: ΔU = 4,0 · 9,8 · 6,0 − 4,0 · 9,8 · 2,0 = 235,2 − 78,4 = 156,8 J. Con riferimento a 2,0 m: ΔU = 4,0 · 9,8 · 4,0 − 0 = 156,8 J. Identico.

5. Perché è pericoloso cambiare riferimento a metà problema?

Perché si finisce per confrontare energie misurate da zeri diversi, come sommare temperature in gradi Celsius e in Fahrenheit. Il risultato è privo di senso e, cosa peggiore, spesso ha un valore plausibile che non insospettisce.

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