L’energia cinetica è l’energia della massa in movimento. L’energia cinetica di un oggetto è l’energia che ha a causa del suo movimento.

Nella meccanica newtoniana (classica), che descrive oggetti macroscopici che si muovono a una piccola frazione della velocità della luce, l’energia cinetica (E) di un corpo massiccio in movimento può essere calcolato come metà della sua massa (m) per il quadrato della sua velocità (v): E = ½mv2. Nota che l’energia è una quantità scalare, cioè non dipende dalla direzione ed è sempre positiva. Quando raddoppiamo la massa, raddoppiamo l’energia; tuttavia, quando raddoppiamo la velocità, l’energia aumenta di un fattore quattro.

Mettiti al lavoro

Forse la proprietà più importante dell’energia cinetica è la sua capacità di lavorare. Il lavoro è definito come la forza che agisce su un oggetto nella direzione del movimento. Lavoro ed energia sono così strettamente correlati da essere intercambiabili. Mentre l’energia del movimento è solitamente espressa come E = ½mv2, il lavoro (W) è più spesso pensato come forza (F) moltiplicata per la distanza (d): W = Fd. Se vogliamo cambiare l’energia cinetica di un oggetto massiccio, dobbiamo lavorarci sopra.

Ad esempio, per sollevare un oggetto pesante, dobbiamo lavorare per superare la forza dovuta alla gravità e spostare l’oggetto verso l’alto. Se l’oggetto è due volte più pesante, è necessario il doppio del lavoro per sollevarlo alla stessa distanza. Ci vuole anche il doppio del lavoro per sollevare lo stesso oggetto il doppio. Allo stesso modo, per far scorrere un oggetto pesante su un pavimento, dobbiamo vincere la forza di attrito tra l’oggetto e il pavimento. Il lavoro richiesto è proporzionale al peso dell’oggetto e alla distanza di spostamento. (Nota che se stai portando un pianoforte sulla schiena lungo un corridoio, in realtà non stai facendo alcun lavoro reale.)

Energia potenziale

L’energia cinetica può essere immagazzinata. Ad esempio, è necessario lavorare per sollevare un peso e posizionarlo su uno scaffale o per comprimere una molla. Cosa succede allora all’energia? Sappiamo che l’energia è conservata, cioè non può essere creata o distrutta; può essere convertito solo da una forma all’altra. In questi due casi, l’energia cinetica viene convertita in energia potenziale perché, sebbene non stia effettivamente facendo un lavoro, ha il potenziale per farlo. Se lasciamo cadere l’oggetto dallo scaffale o rilasciamo la molla, quell’energia potenziale viene riconvertita in energia cinetica.

L’energia cinetica può anche essere trasferita da un corpo all’altro in caso di collisione, che può essere elastica o anelastica. Un esempio di collisione elastica potrebbe essere una palla da biliardo che colpisce un’altra. Ignorando l’attrito tra le palline e il tavolo o qualsiasi rotazione impartita alla bilia battente, idealmente l’energia cinetica totale delle due palline dopo l’urto è uguale all’energia cinetica della bilia battente prima della collisione.

Un esempio di collisione anelastica potrebbe essere un vagone in movimento che sbatte contro un vagone fermo simile e si accoppia ad esso. L’energia totale rimarrebbe la stessa, ma la massa del nuovo sistema sarebbe raddoppiata. Il risultato sarebbe che le due auto continuassero nella stessa direzione a una velocità inferiore tale che mv22 = ½mv12, dove m è la massa di un’auto, v1 è la velocità della prima auto e v2 è la velocità delle auto accoppiate dopo la collisione. Dividendo per me prendendo la radice quadrata di entrambi i lati otteniamo v2 = √2 / 2 ∙ v1. (Notare che v2 ≠ ½v1.)

Inoltre, l’energia cinetica può essere convertita in altre forme di energia e viceversa. Ad esempio, l’energia cinetica può essere convertita in energia elettrica da un generatore o in energia termica dai freni di un’auto. Al contrario, l’energia elettrica può essere riconvertita in energia cinetica da un motore elettrico, l’energia termica può essere convertita in energia cinetica da una turbina a vapore e l’energia chimica può essere convertita in energia cinetica da un motore a combustione interna.

Jim Lucas è uno scrittore ed editore freelance specializzato in fisica, astronomia e ingegneria. È direttore generale di Lucas Technologies.