PRESENTAZIONE
Prima di indicare una
definizione di energia, occorre introdurre i concetti di lavoro e di potenza.
Il significato del termine lavoro in fisica è molto diverso da
quello utilizzato comunemente nel linguaggio usuale. In fisica svolgere un
lavoro significa vincere una resistenza mediante l'applicazione di una forza,
provocando un moto. Per vincere una resistenza occorre spostarla per un certo
spazio lungo una linea di azione. Quando noi utilizziamo la nostra forza
muscolare, solleviamo un oggetto o lo spostiamo da un punto ad un altro,
compiamo un lavoro. La quantità di lavoro (L) che abbiamo compiuto
verrà calcolata mediante il prodotto dell'intensità della forza
applicata (F) per lo spostamento effettuato (S). Quindi avremo la formula: L= F
x S.
Come unità di misura del lavoro sono stati adottati dei valori
che variano a seconda delle unità di misura adottate per la forza e per
lo spostamento. Se si misura la forza in kg. e lo spostamento in m.,
l'unità di misura sarà in kgm (chilogrammetri). Ad esempio, se
spostiamo di 1 metro il peso di 1 chilogrammo, compiamo 1 kgm. di lavoro. Allo
stesso modo, spostando una cassa di 5 kg. per 4 m., compiamo un lavoro di 20
kgm.
Definiamo lavoro motore quello della forza che agisce nel senso dello
spostamento e lavoro resistente quello compiuto dalla forza che agisce in senso
inverso. Se invece la direzione della forza è perpendicolare a quella
dello spostamento, il lavoro è nullo e il corpo non si muove.
Una
volta stabilito il concetto di lavoro, passiamo ad analizzare la potenza. La
potenza è la quantità di lavoro svolta in una unità di
tempo. Secondo questo principio quindi una macchina in grado di svolgere un
maggiore lavoro di quello compiuto da un'altra macchina nello stesso lasso di
tempo è, fra le due, la più potente. Allo stesso modo,
un'automobile che in 1 ora percorre 100 chilometri è più potente di una
che ne percorre 80.
Per calcolare l'intensità della potenza (W)
dovremmo quindi basarci sul rapporto fra il lavoro compiuto da una forza (L) e
il tempo impiegato (t). Quindi : W = L/t.
L'unità di misura per la
potenza è il Watt (dal nome del fisico scozzese G.Watt), cioè il
lavoro di 1 joule al secondo. Multipli del Watt sono l'ettowatt (100 Watt = 1
hW) e il chilowatt (1000 Watt = 1 kW). Comunemente si usa indicare
l'unità di potenza in cavalli-vapore (CV o anche HP dalla denominazione
inglese) che è pari al lavoro di 75 kgm al secondo. Quindi:
1
HP = 75 kgm/sec
e poiché 1 kgm è uguale al 9,8 joule,
si ha che 1 HP = 735 Watt.
Una volta chiariti i concetti di lavoro e di
potenza, possiamo affermare che l'energia è la capacità di un
corpo di compiere un lavoro. Secondo le teorie della meccanica, l'energia
può essere potenziale (o di posizione) oppure cinetica.
L'energia potenziale dipende dallo stato di un corpo non in movimento, in
un determinato campo di forze. Per meglio chiarire questo concetto, proviamo ad
immaginarci una situazione reale: un peso sospeso ad un metro dal suolo non
può compiere lavoro perché la sua velocità è nulla;
eppure sappiamo che se lo lasciassimo cadere, esso acquisterebbe velocità
e potrebbe compiere un lavoro.
L'energia potenziale risulta quindi dal
prodotto del peso del corpo per la sua altezza: Ep = P x h
L'energia
cinetica è invece la capacità di un corpo in movimento di compiere
un lavoro.
Un martello che colpisce un chiodo e lo pianta nel legno compie
un lavoro. L'energia cinetica dipende dalla massa del corpo e dalla sua
velocità: se la testa del martello pesa il doppio, il chiodo si
conficcherà maggiormente, così se battiamo piano il martello il chiodo
affonderà meno, mentre se riusciamo ad imprimere una buona
velocità all'attrezzo il lavoro risulterà più efficace.
Quantitativamente il lavoro dipende più dalla velocità del
corpo che dalla sua massa: un'automobile che colpisce un ostacolo ad una certa
velocità farà più danni di un'altra auto che pesa il doppio
ma che viaggia ad una velocità dimezzata.
Si può dimostrare,
ma il calcolo è troppo complesso per esporlo completamente in questa
sede, che l'energia cinetica è pari a 1/2 del prodotto della massa del
corpo per il quadrato della sua velocità:
ec =1/2
mv.
Questo significa che se la massa raddoppia anche l'energia
raddoppia, mentre se la velocità raddoppia , allora l'energia si
quadruplicherà. Le unità di misura per l'energia sono le stesse
utilizzate per il lavoro.
Naturalmente, quando l'energia potenziale
è massima, l'energia cinetica è nulla e viceversa.
IL CONCETTO DI CONSERVAZIONE
Quando muoviamo un vaso dal pavimento al piano di
un tavolo, compiamo un lavoro uguale alla forza che spendiamo per vincere il
peso del vaso moltiplicato per l'altezza del tavolo dal pavimento, e qualsiasi
percorso facessimo fare al vaso, il lavoro non cambierebbe; sia che si faccia
strisciare il vaso sul pavimento senza spendere fatica (sempre in assenza di
attrito) per avvicinarsi al tavolo prima di sollevarlo, sia che lo si alzi
subito e si facciano alcuni metri prima di depositarlo, il lavoro che si svolge
è sempre lo stesso. Questo perché la forza gravitazionale, come
quella elettrica e magnetica, è conservativa; in un campo di forze
conservative il lavoro non dipende dal percorso, ma solo dalla posizione
iniziale e finale del corpo.
L'energia totale di un sistema si trasmette e
si trasforma, ma soprattutto si conserva. Il nostro sasso sospeso aveva una
certa energia potenziale; cadendo l'energia potenziale diventa cinetica e la
somma delle due energie in un qualsiasi istante è costante. Quando il
sasso toccherà terra, potrebbe sembrare che questa energia totale si sia
volatilizzata: il sasso è fermo quindi l'energia cinetica è nulla
e l'energia potenziale è diversa da quella iniziale perché
è cambiata la posizione del corpo nel campo gravitazionale. Dove
sarà sparita l'energia accumulata nella caduta? Si è semplicemente
trasformata in calore e si può verificare misurando la temperatura del
corpo prima e dopo la caduta. D'altra parte sappiamo bene che martellando un
pezzo di ferro continuamente, questo si riscalda. Un corpo si riscalda quando le
molecole prendono a vibrare velocemente; la temperatura misura l'energia interna
di un corpo e si esprime in gradi Kelvin (°K) o in gradi centigradi
(0°C = 273,16 °K, 1°C corrisponde ad 1° K) oppure in
Fahrenheit (0°C = 32 ° F, 1° C corrisponde a 5/9°F).
Parlando della legge di conservazione dell'energia non possiamo non
collegarci alla legge di conservazione della materia, enunciata dal Lavoisier,
che dice "niente si crea, niente si distrugge, tutto si trasforma". Il
principio della conservazione della materia spiega che la massa dei reagenti,
prima che una reazione avvenga, risulterà uguale alla massa dei prodotti.
Sfruttando queste trasformazioni, l'uomo è riuscito a procurarsi
fonti utilissime di energia: proviamo infatti a pensare all'energia elettrica e
meccanica ottenute mediante l'utilizzo delle cascate.
