L'energia non si crea e non si distrugge: passa da una forma all'altra mantenendo costante il suo valore totale in un sistema isolato.
In fisica chiamiamo energia la grandezza che misura la capacità di un sistema di compiere lavoro, cioè di produrre cambiamenti nel mondo che ci circonda. Esistono molte forme di energia: cinetica, potenziale gravitazionale, potenziale elastica, termica, chimica, elettrica, nucleare e radiante. Sebbene queste forme sembrino molto diverse fra loro, sono tutte interconvertibili e si misurano con la stessa unità, il joule. Il principio di conservazione afferma che, in un sistema isolato dall'ambiente esterno, la somma di tutte queste energie rimane costante nel tempo. Questa legge è una delle più solide e generali della fisica, verificata in ogni esperimento finora compiuto. Capirla a fondo significa imparare a riconoscere i travasi di energia che avvengono continuamente intorno a noi.
Energia meccanica e sua conservazione
L'energia meccanica di un corpo è la somma della sua energia cinetica e della sua energia potenziale. L'energia cinetica vale K = ½ m v² e dipende dalla massa e dal quadrato della velocità del corpo. L'energia potenziale gravitazionale, vicino alla superficie terrestre, vale U = m g h e dipende dall'altezza rispetto a un livello di riferimento scelto. Quando sul corpo agiscono soltanto forze conservative, come la forza peso o la forza elastica, l'energia meccanica totale E = K + U si conserva durante il moto. Questa proprietà permette di risolvere problemi senza dover seguire istante per istante la dinamica, ma confrontando soltanto due configurazioni del sistema. Per esempio, un sasso lasciato cadere da un'altezza h tocca il suolo con velocità v = √(2gh), perché tutta l'energia potenziale iniziale si è trasformata in energia cinetica finale.
Forze non conservative e bilancio energetico
Nel mondo reale agiscono spesso forze come l'attrito o la resistenza dell'aria, che non conservano l'energia meccanica ma la convertono in altre forme, soprattutto in calore. In questi casi l'energia meccanica diminuisce, ma l'energia totale del sistema continua a conservarsi se includiamo nel bilancio anche l'energia termica prodotta. Possiamo scrivere allora E_iniziale = E_finale + E_dissipata, dove l'ultimo termine rappresenta il lavoro compiuto contro le forze dissipative. Questa scrittura ci ricorda che nulla va mai davvero perduto: l'energia cambia soltanto forma e spesso si disperde in modo poco utilizzabile, come succede ai freni di un'automobile che si scaldano frenando. Il principio diventa così uno strumento universale di bilancio, applicabile dalla caduta di una mela al funzionamento di una centrale idroelettrica. Imparare a tracciare questi travasi è il cuore della competenza richiesta in questo argomento.
Ricorda
- L'energia totale di un sistema isolato si conserva sempre; può trasformarsi ma non sparire né nascere dal nulla.
- Se agiscono solo forze conservative, l'energia meccanica K + U resta costante; in presenza di attrito una parte si trasforma in calore.
- Le formule chiave sono K = ½ m v² e U = m g h, e si misurano tutte in joule.
- Esercizio attivo sul quaderno: un libro di massa 0,8 kg cade da uno scaffale alto 1,5 m. Calcola l'energia potenziale iniziale, l'energia cinetica appena prima di toccare il pavimento e la velocità d'impatto, assumendo g = 9,8 m/s² e trascurando l'attrito dell'aria. Confronta poi i due risultati energetici e commenta cosa accadrebbe se l'aria non fosse trascurabile.