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Energia cinetica e potenziale: quello che c’è da sapere

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Energia cinetica e potenziale, energia meccanica e moto dei corpi sono concetti che afferiscono al campo della fisica.

Se hai deciso di iscriverti a un corso di laurea in ingegneria o se sei appassionato della materia e desideri arricchire le tue conoscenze in merito allora ti consigliamo di restare su questa pagina.

Formule, teoremi e concetti afferenti al settore delle energie possono risultare complessi se non assimilati e compresi nel modo giusto; ecco perchè l’Università Telematica Niccolò Cusano di Bolzano ha deciso realizzare una breve guida che intende spiegare con termini semplici ed esempi pratici le caratteristiche e i fenomeni delle differenti tipologie di energia.

Energia cinetica

Per iniziare a familiarizzare con la materia riportiamo di seguito la definizione di ‘cinetica’ presente sul sito della Treccani:

“Parte della meccanica che studia i fenomeni di moto, in relazione alla costituzione materiale dei corpi interessati al movimento e alle grandezze (energia cinetica, momenti cinetici ecc.) a essi relative. Può essere considerata come una fase di sviluppo della meccanica, intermedia tra la cinematica e la dinamica.”

Ma che cos’è esattamente l’energia cinetica?

Proviamo a dare una definizione semplice e comprensibile anche ai non addetti ai lavori, prima di addentrarci nel mondo di formule e teoremi: nella meccanica classica è l’energia che possiedono i corpi in movimento; essa stessa è generata proprio dal movimento.

La grandezza equivale al lavoro necessario per portare un corpo da una velocità nulla a una velocità nota.

La formula dell’energia cinetica è la seguente:

K=1/2 mv2

Per chiarire quanto espresso dalla formula: ‘m’ indica la massa del corpo e ‘v’ la velocità; ne consegue che  l’energia di tipo cinetico non è uguale per tutti i corpi ma è direttamente proporzionale alla massa del corpo e al quadrato del modulo della sua velocità.

Ad esempio, un corpo in movimento può variare la velocità per effetto dell’azione di una forza. Di conseguenza cambia anche il valore dell’energia che sarà dato dalla differenza tra il valore originale e quello finale.

Cerchiamo di capire meglio il concetto prendendo in esame due corpi in movimento:

– a parità di velocità il corpo di massa due volte più grande ha un’energia cinetica doppia rispetto all’altro;
– a parità di massa il corpo con velocità doppia sprigiona un’energia cinetica quattro volte maggiore dell’altro.

Trattandosi di una grandezza scalare, così come il lavoro, essa si misura in joule.

A questo punto è d’obbligo un’osservazione, o per meglio dire una precisazione: il valore K può variare a seconda del sistema di riferimento. Se ad esempio si parte dal punto di osservazione di un soggetto fermo l’oggetto è dotato di un certo valore di energia, se invece l’osservatore si trova all’interno dell’oggetto in movimento l’energia sarà pari a zero.

In sintesi l’energia cinetica:

  • è legata al movimento dei corpi
  • dipende dalla velocità dei corpi
  • dipende dalla massa dei corpi
  • non può avere valore negativo

Energia potenziale

Dopo aver familiarizzato con la cinetica è tempo di analizzare l’energia potenziale per cercare di capire cos’è, come si genera e quali sono le caratteristiche.

Partiamo come di consueto dalla definizione ripresa dal web e più in particolare da Wikipedia:

“In fisica, l’energia potenziale di un oggetto è l’energia che esso possiede a causa della sua posizione o del suo orientamento rispetto a un campo di forze.”

Si tratta di un tipo di energia legata al lavoro delle forze conservative; ogni corpo soggetto a una forza conservativa ha una propria energia potenziale definita in termini di variazione.
In altre parole la variazione di energia potenziale di un corpo è uguale al lavoro cambiato di segno.

La formula di quanto finora espresso è la seguente:

Delta U = -L

Il simbolo ‘Delta U’ corrisponde alla variazione.

Particolare il fatto che per spiegare l’energia in oggetto si parta dalla sua variazione.
La motivazione di tale peculiarità è piuttosto semplice: lo sviluppo dell’energia potenziale è dato dall’esercizio di una forza il cui obiettivo è spostare un corpo dalla sua posizione di stasi o di equilibrio in una posizione che ne determina la compressione.
Il lavoro trasferisce l’energia della forza al corpo stesso.

L’energia potenziale di un corpo può trasformarsi in energia cinetica.

Prendiamo come esempio un corpo posto ad una certa quota; esso possiede energia potenziale, che deriva dal fatto che si trova ad una certa altezza, e quindi dalla sua posizione.
L’energia cinetica, essendo il corpo fermo, è nulla.
Quando il corpo viene messo in moto dimunisce la potenziale mentre aumenta quella cinetica.

L’energia in analisi può essere di tipo elastico o gravitazionale.

L’energia potenziale gravitazionale è associata alla forza di gravità ed è espressa dalla seguente formula:

U = mgh

Per capire meglio: ‘m’ indica la massa del corpo, ‘g’ l’accelerazione di gravità e ‘h’ indica l’altezza a cui è posizionato il corpo rispetto ad un determinato livello.

Ad esempio sollevando un oggetto da terra esso acquisirà energia potenziale gravitazionale, legata alla forza che esercita su di esso la forza di gravitazione terrestre.
Il valore dell’energia, in tal caso, dipende dall’altezza dell’oggetto rispetto al pavimento.

L’energia potenziale elastica è legata alla deformazione elastica di un corpo.

La formula è la seguente:

U = ½ kx2

Per chiarire ulteriormente: ‘k’ è la costante e ‘x’ indica la compressione-allungamento (elongazione) rispetto alla posizione di riposo.

energia potenziale elastica

Energia meccanica

É impossibile parlare di energia cinetica e potenziale senza parlare anche di energia meccanica.

Prendiamo come punto di partenza la definizione presente sul sito di Wikipedia:

“L’energia meccanica è la somma di energia cinetica ed energia potenziale attinenti allo stesso sistema, da distinguere dall’energia totale del sistema E in cui rientra anche l’energia interna.”

La formula che esprime il concetto appena enunciato è la seguente:

E = K + U

L’unità di misura è il joule.

Tra le caratteristiche dell’energia meccanica vi è la capacità di conservazione in presenza di due condizioni fondamentali:

  1. Il sistema fisico considerato deve essere isolato, ovvero non devono essere presenti forze esterne che agiscono su di esso.
  2. Le forze che agiscono nel sistema devono essere di tipo conservativo. L’energia meccanica associata quindi ai sistemi in cui agiscono esclusivamente forze conservative risuta costante in quanto queste ultime determinano un aumento dell’energia cinetica nel momento in cui diminuiscono l’energia potenziale, e viceversa.

Energia meccanica, energia potenziale, energia cinetica e relativi teoremi rientrano nel programma del corso di laurea in ingegneria meccanica erogato dall’Unicusano.

La materia permette allo studente di acquisire le competenze necessarie per:

  • sviluppare il calcolo del lavoro eseguito da una forza lungo uno spostamento;
  • collegare il calcolo del lavoro di una forza a quello di una variazione di energia cinetica;
  • riconoscere i casi di forze conservative e forze non conservative;
  • calcolare l’energia potenziale per le più comuni forze conservative;
  • applicare il teorema della conservazione dell’energia meccanica per risolvere un’ampia gamma di problematiche di dinamica.

Prima di concludere l’articolo segnaliamo l’innovativa modalità di erogazione dei contenuti attivato dall’Unicusano; la formazione a distanza, denominata e-learning, permette al corsista di studiare comodamente online, da casa, seguendo le lezioni in streaming da pc o da dispositivo mobile, a qualunque ora del giorno o della notte e sanza alcun limite di visualizzazione.

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