Le macchine costruite dall’uomo compiono lavoro e, per poter funzionare, hanno bisogno di energia.
L’energia è una grandezza fisica che esprime la capacità di un sistema fisico di compiere lavoro.
É una grandezza di tipo scalare, associata allo stato fisico e alle condizioni in cui un corpo o un sistema si trovano.
Nell’ambito puramente meccanico, si affronterà lo studio di due forme diverse di energia:
- energia cinetica
- energia potenziale gravitazionale.
L’Energia Cinetica
Un corpo in movimento ha la capacità di compiere lavoro su altri corpi, come il trasferimento di parte del suo movimento: esso possiede dunque energia (energia cinetica) legata al suo stato di moto.
L’energia cinetica di un corpo dipende dalla sua massa e sua velocità ed è definita nel seguente modo:
Ec = ½ m v2
L’unità di misura dell’energia cinetica è il joule (J).
Il teorema dell’energia cinetica
Il lavoro compiuto dalla forza F per portare un corpo di massa m dalla velocità iniziale vi alla velocità finale vf è pari alla variazione di energia cinetica del corpo.
Questa affermazione costituisce il cosiddetto teorema dell’energia cinetica.
L = ΔEc = Ecfin – Ecin = ½ m vf2 – ½ m vi2
L’Energia Potenziale Gravitazionale
Un corpo posto ad una determinata altezza rispetto al suolo è capace di compiere lavoro: si pensi ad un masso che lasciato cadere dalla cima di un palazzo che va a colpire un’automobile; essa subirà sicuramente rotture e deformazioni.
L’energia potenziale gravitazionale è dunque posseduta da un corpo di massa m che si trova ad una altezza h rispetto al suolo.
L’aggettivo gravitazionale indica che l’energia non dipende solamente dal corpo ma dalla presenza della forza di gravità della Terra, senza la quale nessun corpo cadrebbe.
L’espressione dell’energia potenziale gravitazionale è la seguente:
Ep = m g h
L’energia potenziale è definita se viene dato un livello di riferimento in cui h = 0 ( in cui Ep = 0 ), a partire dal quale si misurano le altezze. Se invece si considerano le differenze di energia potenziale fra due posizioni, il livello preso come riferimento è ininfluente.
L’ unità di misura è il joule.
Si consideri il seguente schema:
Prendendo a riferimento le condizioni rappresentate nella figura, si può determinare il lavoro compiuto dalla forza peso P per uno spostamento del corpo di massa m dalla posizione iniziale di altezza h1 alla posizione finale di altezza h2 in un campo gravitazionale:
L = – P · s = – m · g ·(h2 – h1) = – m g h2 + m g h1
Esso è quindi pari alla differenza dell’energia potenziale gravitazionale:
L = Epi – Epf = m g h1 – m g h2
Considerato che ΔEp = m g h2 – m g h1
L = – ΔEp
In definitiva il lavoro compiuto dalla forza peso in un campo gravitazionale è pari alla differenza di energia potenziale gravitazionale tra la posizione iniziale e finale.