Forme di energia

 

Energia potenziale gravitazionale

Per sollevare un corpo ad una certa altezza h abbiamo visto che dobbiamo compiere un lavoro, cioè applicare una forza diretta verticalmente dal basso verso l'alto e pari al peso del corpo che vogliamo sollevare: L = F_|| · h = m · g · h. Per sollevare un corpo dobbiamo dunque consumare dell'energia. Questa energia non viene persa ma rimane immagazzinata nel corpo sotto forma di energia potenziale gravitazionale: U = m · g · h. L'energia potenziale gravitazionale è l'energia che un corpo possiede per il fatto di trovarsi ad una certa altezza dal suolo.

Se abbiamo un corpo di massa m ad una certa altezza h dal pavimento, la forza-peso del gesso è in grado di compiere un lavoro. Infatti, se lasciamo libero il gesso, la sua velocità aumenta al passare del tempo. In questo modo possiamo recuperare sotto forma di energia cinetica il lavoro che avevamo fatto per sollevare il gesso e che era rimasto immagazzinato sotto forma di energia potenziale gravitazionale: U = m · g · h.

Abbiamo visto nelle precedenti sezioni che il lavoro necessario per sollevare il corpo a una certa altezza h lungo un piano inclinato è uguale al lavoro necessario per sollevare lo stesso corpo verticalmente. Di conseguenza anche l'energia potenziale gravitazionale dipenderà solo dall'altezza h a cui è posto il corpo e non dipenderà dal percorso che ha compiuto il corpo per arrivare in tale posizione. Vogliamo sottolineare anche come l'energia potenziale gravitazionale sia sempre definita a partire da un livello di riferimento che viene assunto come il livello ad altezza h = 0. In generale la scelta di questo riferimento è arbitraria. L'importante è valutare poi tutte le altezze a partire da tale livello di riferimento.

Finora abbiamo introdotto due forme di energia: l'energia cinetica, dovuta al movimento di un corpo e l'energia potenziale gravitazionale, dovuta al fatto che un corpo si trova ad una certa altezza dal suolo. In generale un corpo può trovarsi a una certa altezza e possedere una certa velocità, quindi un corpo può possedere sia energia cinetica che energia potenziale gravitazionale. Torna allora utile definire un'ulteriore forma di energia, detta energia meccanica E_m e data dalla somma dell'energia cinetica e dell'energia potenziale gravitazionale: E_m = K + U.

Quando noi teniamo il gesso fermo ad un'altezza h dal suolo esso possiede solo energia potenziale gravitazionale. Dunque l'energia meccanica coincide con l'energia potenziale gravitazionale E_m = U. Man mano che il corpo scende perde parte della sua energia potenziale gravitazionale ed aumenta la sua velocità. In altre parole, l'energia potenziale gravitazionale si trasforma progressivamente in energia cinetica. L'energia meccanica gode di una proprietà importantissima: in assenza di attrito l'energia meccanica si conserva. Questo principio va sotto il nome di principio di conservazione dell'energia. Quando il corpo arriva al suolo la sua energia potenziale gravitazionale diventa nulla perché l'altezza dal suolo è h = 0. In questa configurazione l'energia meccanica coincide con l'energia cinetica E_m = K e possiamo dire che l'energia potenziale gravitazionale iniziale si è interamente trasformata in energia cinetica.