Energia, lavoro e moto dei corpi

Energia e lavoro

Il termine energia si incontra spesso nei corsi di scienze e anche quotidianamente in situazioni molto diverse tra loro. Per esempio:
• Il calore è una forma di energia termica
• La luce è energia luminosa
• Dai cibi proviene l’energia muscolare che ci permette di muoverci
• Il riscaldamento del nostro pianeta deriva dall’ energia solare
Per definire scientificamente il termine energia in modo preciso, bisogna saper innanzitutto che i fisici collegano l’energia al termine lavoro.

Certo sembra strano, ma l’energia non si può vedere o toccare, però noi ne percepiamo gli effetti ogni volta che una forza compie un lavoro, spostando gli oggetti o le particelle che compongono la materia.
In una automobile, per esempio, l’energia termica della benzina si manifesta come calore quando essa scoppia nei cilindri del motore; il gas riscaldato si espande e fa spostare i pistoni, che compiono un lavoro. Quindi si può dire che l’energia è la grandezza fisica che descrive la capacità di compiere lavoro. Sia l’energia che il lavoro si misurano con la stessa unità di misura: il YOULE. Questa energia ha la caratteristica di poter assumere diverse forme:
• Energia chimica (benzina che diventa energia di movimento dei pistoni)
• Energia di movimento (trasmessa dalla benzina anche alle ruote oltre che ai pistoni)
• Energia elettrica (trasmessa in parte dai pistoni attraverso un alternatore e accumulata nella batteria)
• Energia luminosa, termica e sonora deriva dalla batteria dove è stata accumulata e farà funzionare poi i fari, il riscaldamento o la radio dell’automobile.
Risulta evidente da questo esempio che, quando una certa forma di energia scompare, la stessa quantità di energia ricompare sotto un’altra forma. Se l’auto frena ad esempio, la sua energia di movimento non scompare nel nulla. Infatti attraverso l’attrito nei freni e tra le ruote e l’asfalto, essa si trasforma in calore, che pio si disperde nell’ambiente. Perciò nelle sue variazioni l’energia si conserva, cioè rimane complessivamente costante.
Per descrivere quanto lavoro può compiere una determinata forza nell’unità di tempo, si è introdotto il concetto di potenza. Anch’essa si misura in joule (J). Potenza = lavoro / tempo
Una gru può sollevare un determinato peso, ma per farlo deve vincere la forza di gravità e quindi compiere un lavoro. La gru più potente sarà quella che solleva lo stesso peso nel tempo minore.
Fra le diverse forme di energia c’è quella definita cinetica cioè dovuta al movimento di un corpo. Se pensiamo al carrello del supermercato per esempio, quando è in movimento può compiere un lavoro: se urta un oggetto fermo infatti lo sposterà! Naturalmente questa energia cinetica sarà tanto maggiore se la massa del corpo in movimento è maggiore e aumenta anche di più con la sua velocità. Per essere precisi, se la massa raddoppia, l’energia cinetica raddoppia, ma se è la velocità a raddoppiare, allora l’energia cinetica quadruplica. Ec = (m c^2)/2 è la formula per calcolare l'energia cinetica.

Un particolare tipo di energia è l’energia potenziale. E’ un’energia temporaneamente nascosta, ma che potrebbe manifestarsi se si verificasse una opportuna condizione. Gli oggetti che si trovano più in alto, grazie alla loro posizione nel campo gravitazionale terrestre, hanno una energia potenziale maggiore rispetto agli oggetti che si trovano più in basso. Un esempio può essere fornito da un lago creato da una diga che, trovandosi in alto, ha una energia potenziale gravitazionale maggiore: se si lascia scendere verso valle quell’acqua, allora la sua energia potenziale si trasformerà in energia cinetica e potrà essere sfruttata per compiere lavoro. E’ proprio così che avviene nelle centrali idroelettriche. Dato che una forma di energia si trasforma nell’altra, l’energia cinetica e l’energia potenziale restano costanti.
La formula per il calcolo di tale energia è: Ep = m g h
Con m si intende la massa del corpo, g è l’accelerazione di gravità (9,81 m/s^2) e H è l’altezza a cui si trova il corpo.

Altre forme di energia potenziale sono anche quelle che non hanno a che fare con la gravità.

Esempi

Possiede una energia potenziale di tipo elastico una molla o un arco quando lancia una freccia: prima si tende l’arco e in esso si accumula energia potenziale elastica; poi questa viene rilasciata tutta in una volta e diventa energia cinetica della freccia.
Possiede energia potenziale elettrica una pila quando accumula cariche elettriche sui suoi elettrodi.
Anche l’energia chimica è una manifestazione dell’energia potenziale elettrica a livelli microscopici. Infatti alcune reazioni chimiche rilasciano calore perché liberano una parte dell’energia potenziale elettrica immagazzinata nei legami chimici tra gli elettroni degli atomi che stanno reagendo.

Il movimento dei corpi

Guardandoci intorno è facile notare cose che sono ferme e altre che si muovono. Ma una semplice osservazione non è sufficiente a definire il movimento di un oggetto. Il movimento infatti deve essere sempre fatto rispetto ad un sistema di riferimento. Una persona seduta nello scompartimento di un treno in corsa vede fermi i suoi compagni di viaggio e cambiare continuamente il paesaggio; viceversa gli stessi passeggeri del treno appaiono invece in movimento rispetto ad una persona che vede passare il treno. Possiamo sicuramente affermare che un corpo si sta muovendo se con il passare del tempo la sua posizione cambia rispetto ad un sistema di riferimento (considerato fisso).
Per descrivere con precisione il movimento occorre conoscere gli elementi che lo caratterizzano. Questi elementi sono: spazio percorso, la traiettoria, il verso e il tempo impiegato.
Spazio: si tratta della distanza che intercorre tra la posizione di partenza e quella di arrivo. Si misura in metri (e suoi multipli) e viene definito anche come spazio percorso o spostamento.
Traiettoria : è semplicemente l’itinerario che caratterizza il nostro movimento: può essere a zig zag, o in linea retta o a curve. Quando la traiettoria è una linea retta, il moto si chiama rettilineo; quando è una linea curva è detto curvilineo.
Verso: Se facciamo l’esempio semplice del percorso casa-scuola, avrà una sua traiettoria (rettilinea o curvilinea), ma la percorreremo all’andata in un senso (casa –scuola) e al ritorno nell’altro senso (scuola –casa), Questo diverso”senso di marcia” è il verso del movimento.
TEMPO si intende il tempo impiegato per percorrere la nostra distanza. Sappiamo tutti che è diverso il tempo impiegato per fare il tragitto casa- scuola se lo realizziamo a piedi, in bicicletta o in auto.
Quando si parla di moto dei corpi, ciò che forse interessa di più è la rapidità con cui quel corpo si sposta, cioè la sua velocità. La velocità di un corpo in movimento dipende da diversi fattori:
• dalla distanza percorsa
• dal tempo impiegato a percorrerla
Velocità = spazio / tempo
Comunemente le distanze sono misurate in chilometri e in metri e i tempi in ore o secondi, pertanto la velocità viene misurata in chilometri all’ora o in metri al secondo.
Se si vuole passare dalla misurazione in metri al secondo a quella in chilometri orari, basta moltiplicare il valore numerico per 3,6. (La velocità di 1 m/s equivale 3,6 km/h). Infatti 1 ora è fatta da 3600 secondi e se si procede a 1 metro al secondo in un’ora percorrerò 3600 metri cioè 3,6 km.
Il moto può essere uniforme o accelerato
Il moto uniforme può avvenire su traiettoria rettilinea o circolare. Il corpo che nel suo moto percorre distanze uguali in intervalli di tempo uguali, mantenendo così costante la sua velocità, si muove di moto uniforme.
Se la velocità invece cambia, subendo delle variazioni in positivo (accelerazioni) o in negativo (decelerazioni), si muove di moto accelerato.
Il nuovo termine è accelerazione. Si tratta di una variazione della velocità del corpo che si sta muovendo e si calcola in questo modo:
Accelerazione= variazione velocità / tempo
Si misura in metri / secondi al quadrato.

Moto di caduta dei corpi

Se non ci fosse l’aria, tutti i corpi cadrebbero con la stessa velocità al suolo. Inoltre Galileo ha dimostrato con un esperimento che man mano che i corpi cadono, liberamente e senza spinte, la loro velocità aumenta di 9,81 m/s per ogni secondo della loro caduta. Essi cioè subiscono una accelerazione, che essendo dovuta alla forza di gravità che attrae tutti i corpi alla terra, viene chiamata accelerazione di gravità. Essa è uguale per tutti i corpi. Durante la sua caduta un corpo aumenta la sua velocità in modo costante e si muove quindi con un moto detto uniformemente accelerato.
Questa forza che fa cadere un oggetto è la forza di gravità. Essa è chiamata peso ed è dovuta al campo gravitazionale generato dal nostro pianeta. Ogni corpo mantiene costante la sua massa, anche spostandosi nell’universo (a velocità inferiore a quella della luce) ma il suo peso varia a seconda della gravità del pianeta. Sulla Luna, per esempio, dove la gravità è molto inferiore a quella terrestre, il nostro peso sarebbe minore mentre la nostra massa rimarrebbe costante.