Esistono tanti tipi di energia. In questo articolo spieghiamo che cos’è l’energia potenziale.
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Energia potenziale: definizione
L’energia potenziale (il cui simbolo è U) è detta anche energia posizionale perché è una forma di energia posseduta da un oggetto in relazione alla sua posizione o orientamento rispetto ad un campo di forze a lui riferite. Può essere definita anche come la capacità di un oggetto o sistema di trasformare la propria energia in un’altra.
Il termine “energia potenziale” fu coniato dall’ingegnere e fisico scozzese Rankine nel 1853.
Grazie all’azione di una forza un corpo fermo può essere spostato dalla sua posizione originaria. La forza compie quindi un lavoro e il corpo possiede una certa energia potenziale. Se il corpo è fermo la sua energia cinetica è nulla, se invece viene ad esempio fatto cadere, la sua energia potenziale diminuisce e la sua energia cinetica aumenta.
Esempio
Facciamo un esempio pratico per spiegare che cos’è l’energia potenziale. Uno sciatore si trova in cima alla pista. Quando inizia la discesa perde quota e di conseguenza diminuisce la sua energia potenziale, ma man mano che prende velocità aumenta la sua energia cinetica. Dunque, l’energia potenziale dello sciatore si tramuta in energia cinetica. Anche se gli attriti prodotti dalla neve e dalla resistenza dell’aria sullo sciatore rubano energia, il principio di conservazione resta valido perché l’energia meccanica persa viene convertita in calore divenendo energia termica.
Vediamo come si calcola l’energia potenziale.
Energia potenziale: come calcolarla
Nel sistema internazionale l’energia potenziale, come tutte le energie meccaniche, è misurata in joule (j). Questa energia varia in base all’altezza, peso, forza o altre caratteristiche intrinseche. Per sapere come si calcola l’energia potenziale, dovrete prima di tutto conoscere le basi della fisica classica e armarvi di una calcolatrice, poi proseguite nella lettura per scoprire la formula matematica.
Ad esempio, se vogliamo calcolare il valore dell’energia potenziale gravitazionale, dobbiamo stabilire un piano di riferimento e determinare l’altezza (h) al quale il nostro corpo si trova rispetto al piano di riferimento. Mettiamo che in una regione di spazio siano presenti una qualche forza ed un oggetto che è sensibile alla forza stessa. L’energia potenziale posseduta dall’oggetto è definita come la differenza tra l’energia che esso possiede. Facciamo un esempio.
Per sollevare una palla da bowling e riporla nel suo scaffale, bisogna imprimere alla palla un’energia cinetica. Una volta sullo scaffale, però, l’energia cinetica della palla è pari a zero, come quando era a terra. L’energia creata non è comunque andata persa nello spazio in base al primo principio della termodinamica.
Come si calcola l’energia potenziale: formula matematica
La formula per il calcolo dell’energia potenziale gravitazionale è dettata dall’equazione: U=m*g*h, in cui:
- m sta per la massa del corpo che si sta prendendo in considerazione misurata in chilogrammi (kg);
- g è l’accelerazione di gravità pari a 9,81 m/s2;
- h è l’altezza a cui è posto l’oggetto misurata in metri.
Il valore dell’energia potenziale è direttamente proporzionale alla massa del corpo e all’altezza a cui il corpo stesso è posto.
È definita anche energia “conservativa” perché può essere immagazzinata in qualsiasi corpo senza che cambi di intensità, a parte quando viene rotto l’equilibrio. L’energia cinetica può trasformarsi in energia potenziale e successivamente la stessa energia potenziale può trasformarsi in energia cinetica.
L’energia potenziale elastica (Ue) è invece il lavoro compiuto da una molla deformata per ritornare alla posizione di riposo. La sua formula è: Ue = 1/2 kx al quadrato, dove k è la costante elastica e x è lo spostamento espresso in m, ovvero l’allungamento o la compressione della molla.
Esempio
Applichiamo la formula matematica con un esempio pratico. Calcoliamo l’energia potenziale posseduta da un sasso di 200 grammi che si trova a 2 metri di altezza dal suolo.
Convertiamo i grammi in kg, quindi 200 g = 0,2 kg. E poi applichiamo la formula con i dati che abbiamo a disposizione:
m*g*h = 0,2*9,81*2= 3,9 j
L’energia potenziale posseduta dal sasso è 3,9 j.
Le varianti dell’energia potenziale
Ecco 3 tipologie di energia potenziale partendo da degli esempi:
- Il pendolo di un orologio, nella parte superiore della sua oscillazione, ha un’energia potenziale gravitazionale che mentre cade viene trasformata in energia cinetica.
- L’energia potenziale elastica è presente in un oggetto che può essere allungato e rimbalzato, come un elastico o una molla. L‘energia potenziale viene immagazzinata quando un elastico viene allungato e convertito in energia cinetica quando l’elastico viene rilasciato. Per capire meglio questo concetto pensate al funzionamento di una fionda.
- L’energia potenziale elettrica in un campo elettrico è l’energia necessaria per spostare una carica elettrica. Si sviluppa in campi elettrici variabili nel tempo ed è misurata in volt.
L’energia potenziale gravitazionale è l’energia immagazzinata in un oggetto a causa della sua altezza. È un’energia dovuta alla forza gravitazionale della Terra.
Pensiamo ad un corpo di massa m (misurata in kg) posto ad una certa altezza h dal suolo che viene lasciato cadere: la forza di gravità compie un lavoro, il corpo ha in sé una forma di energia immagazzinata, detta energia potenziale gravitazionale, la cui variazione rappresenta il lavoro compiuto dalla forza gravitazionale per spostarlo da una posizione iniziale ad una finale.
Questa energia può essere calcolata moltiplicando la massa del corpo per l’accelerazione della gravità e per l’altezza alla quale si trova. Il peso e l’altezza sono direttamente proporzionali all’energia che possono generare.
Anche la forza elastica è una forza conservativa. L’energia potenziale elastica di una molla può essere usata per muovere altri corpi, come ad esempio succede negli orologi a ricarica.
