L'Energia Cinetica

Nel post precedente, abbiamo visto che applicando una forza ad un oggetto questo accelera per tutto il tempo in cui la forza è applicata fino a raggiungere una velocità data. L’applicazione della forza per un certo lasso temporale definisce la prima grandezza fisica che sappiamo conservarsi: la quantità di moto, mentre il lavoro speso è pari al prodotto (scalare) della forza applicata lungo tutto il tragitto.

Immaginiamo una situazione di assenza di gravità e di attrito, nel vuoto cosmico. Una volta speso lavoro per mettere in moto un corpo per il solo fatto di essere in movimento, se questo corpo urtasse un altro corpo sarebbe in grado di spostarlo, esattamente come avverrebbe applicando una forza sul secondo corpo. Questa proprietà intrinseca degli oggetti era già stata osservata da Aristotele, il primo a pensare all’energia come “capacità di agire” (en-ergon). E’ solamente nel rinascimento, con Keplero prima e con Copernico, Galileo e Newton che l’energia verrà formalmente definita nel dettaglio delle relazioni con le altre grandezze fisiche e costituirà un caposaldo della fisica classica.

In fisica classica l’energia di un corpo in movimento, l’energia cinetica, è vista in modo opposto rispetto alla concezione aristotelica. L’energia cinetica è pari al lavoro speso per mettere in moto il corpo. Abbiamo già visto che compiendo un lavoro, cioè applicando una forza F su di un corpo lungo uno spazio s, acceleriamo il corpo fino a portarlo alla velocità v.

Sappiamo, per il principio di inerzia, che il corpo conserva il suo stato di moto o velocità uniforme. Avendo speso lavoro su di un corpo ne abbiamo variato lo stato, ponendolo in moto: l’energia cinetcia definisce il “livello energetico” che ha acquisito il corpo su cui è stato speso lavoro.

L’espressione dell’energia cinetica è:

T = mv^2 / 2

nello spazio, in assenza di interazioni e forze esterne, il corpo conserverà il suo livello energetico indefinitamente.

L’energia cinetica è proporzionale alla massa e al quadrato della velocità. Quando arrestiamo il corpo dobbiamo in qualche modo dissiparne l’energia per riportarlo in quiete. Nei crash test automobilistici, dove vengono sperimentati gli effetti di urti di veicoli contro una barriera rigida, è possibile valutare l’effetto della dissipazione in tempi così rapidi. In particolare la componente velocità ha un impatto decisamente importante perché figura in formula al quadrato e, al raddoppiarsi, provoca il quadruplicarsi dell’energia cinetica del veicolo.

E’ uno dei motivi per cui occorre moderare la velocità ed indossare sempre le cinture di sicurezza, in modo da minimizzare l’impatto sui viaggiatori di una brusca dissipazione di energia.

Entreremo nel dettaglio, in post successivi, delle relazioni tra lavoro, energia, quantità di moto e le altre grandezze fisiche man mano che ne avremo occasione ma, per ora, ci accontentiamo della formulazione dell’energia cinetica. La assoceremo al concetto di energia potenziale per affrontare un altro grande caposaldo della modellazione dei sistemi fisici: la conservazione dell’energia meccanica.