Energia: parte seconda.

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Cos’è l’energiaEnergia potenziale e cineticaEnergia elettromagneticaEnergia nucleareEnergia dell’Universo

Nel linguaggio corrente quando una persona è stanca diciamo che è priva di energia, mentre una persona in continuo movimento è piena d’energia.

Cos’è allora l’energia?
Da queste poche righe sembra quindi che l’energia è collegata al solo movimento. Ma se pensiamo per esempio ad una automobile non c’è movimento se non c’è qualcosa che la faccia muovere.
Questo qualcosa è generalmente una forza.

Senza accorgercene abbiamo introdotto due grandezze fisiche legate tra loro, una forza e uno spostamento.
Ebbene queste due grandezze fisiche nel momento in cu si applicano contemporaneamente generano un lavoro.
In altri termini nel momento in cui un corpo subisce uno spostamento ad opera di una forza si compie un lavoro.
Espresso in formule il lavoro è la risultante di una forza per lo spostamento subito L=F*s.

Camminare, saltare, correre sono tutte attività che presuppongono uno spostamento generato da una forza. Inavvertitamente compiamo un lavoro.
Insomma non c’è lavoro se non c’è una forza, se non c’è uno spostamento.

A questo punto qualcuno mi potrebbe osservare che una persona ferma non possiede energia.

Energia potenziale e energia cinetica.
Non è proprio così. La fisica contempla una energia potenziale. Un corpo in quiete possiede una energia potenziale, ovvero la capacità a svolgere lavoro. Quando sei seduto possiedi una energia potenziale. Nel momento in cui ti alzi compi un lavoro che è il risultato di uno spostamento dovuto ad una forza.
Se poi pensiamo alla famosa mela sull’albero, essa ha una energia potenziale che nel momento in cui cade giù si trasforma in energia cinetica.
In questo caso la energia potenziale vale:
U = mgh
Dove “m” è la massa della mela, “g” è l’accelerazione gravitazionale, “h” la quota della mela.

Mentre l’energia cinetica vale:
K = ½ mv^2
Dove “v” è la velocità di caduta

L’energia totale è ovviamente
E = U + K = mgh + ½ mv^2

In definitiva quando un corpo si trova, fermo, ad un’altezza possiede solo energia potenziale (K=0), mentre cade la sua energia cinetica aumenta (perché passa da una velocità nulla ad una velocità non nulla) e quella potenziale diminuisce (perché diminuisce la quota in cui si trova). Al termine del moto il corpo possiede solo energia cinetica (U=0) e arriva al suolo con la velocità massima in quanto la sua quota (h=0) è divenuta nulla.

Questo fatto ci porta ad un’altra considerazione. Se l’energia potenziale si è trasformata in energia cinetica prossimo dire che la energia totale del corpo si è conservata pur essendosi trasformata. E’ il principio della conservazione della energia.
Ovvero
mgh + ½ mv^2 = 0
mgh = ½ mv^2
Da questa relazione è possibile calcolare la velocità di caduta da una certa altezza.

Le cose si complicano quando ci troviamo di fronte a particolari tipi di energie.
In altra parte ci siamo occupati delle varie facce secondo la quale si manifesta l’energia. Tra le tante meritano due parole in più la energia elettromagnetica e nucleare.

Energia elettromagnetica.
Meno facile da spiegare è l’energia elettromagnetica. Le onde elettromagnetiche trasportano infatti energia che noi percepiamo come la luce, calore, colore o radiazione a seconda della lunghezza d’onda.

Nell’elettrodinamica quantistica, le radiazioni elettromagnetiche sono costituite da particelle elementari, i fotoni, che trasportano ognuno un “pacchetto” di energia. Se prendiamo un fascio di fotoni tutti della stessa energia otteniamo un’onda monocromatica che possiede l’energia dettata da questa formula:
E = ν*h
Dove “ν” è la frequenza d’onda e “h” è la costante di Plank.
Fin qui ci siete?

Tutto chiaro? Ora se l’energia è la capacità di compiere lavoro, qual è il lavoro svolto da una onda elettromagnetica?
Supponendo che sappiate cos’è un campo elettrico (ma la stessa cosa vale per un campo magnetico), se una carica elettrica q si sposta in una regione di spazio, sede di un campo elettrico, le forze elettriche del campo compiono un lavoro. E precisamente:
L = qFd
Dove “q” è la carica elettrica, “F” l’intensità del campo magnetico (forza), “d” lo spostamento.

Energia nucleare
Qui le cose si complicano ulteriormente.
L’energia nucleare è una forma di energia che deriva da profonde modifiche della struttura stessa della materia. Generalmente si intendono tutti quei fenomeni in cui si ha produzione di energia in seguito a trasformazioni nei nuclei atomici.
La disgregazione del nucleo dell’atomo di alcuni elementi, detti fissili, avviene per mezzo di piccolissime particelle (neutroni) che lo colpiscono e lo spezzano in due nuclei più leggeri.
I prodotti della scissione hanno una massa più piccola di quella del nucleo originale: ciò significa che, durante il processo, una parte della materia si è trasformata in energia.

Ora si capisce da quest’ultimo esempio che la definizione classica di lavoro legato alla energia va a farsi benedire. D’altra parte Einstein ci ha detto che la materia stessa è energia che può essere liberata proprio da processi nucleari come la fissione e la fusione. E=mc^2

Con l’avvento della meccanica quantistica arriviamo al massimo dell’indeterminatezza della energia avendo introdotto un importante elemento di novità.
Il principio di indeterminazione di Heisenberg stabilisce infatti che se si osserva un sistema per un intervallo di tempo limitato, la sua energia può essere misurata solo con una certezza inversamente proporzionale al tempo di osservazione.
Cosa vuol dire?
Se il sistema è instabile e vive per poco tempo, la sua energia è necessariamente indeterminata.

Energia dell’Universo.
Non vado oltre, per non confondere ulteriormente le idee, ma un’ultima cosina ve la voglio dire.
Vi siete mai domandati qual è la energia dell’universo? In principio c’è stata una esplosione che doveva avere una energia che possiamo solo definire infinita. Una forza infinita che ha prodotto la dilatazione (spostamento) dell’universo. In definitiva anche il Big Bang ha compiuto un lavoro di valore infinito.

Tuttavia le ultime ricerche che hanno confermato che l’universo è in continua espansione pongono serie domande sulle forze che la dominano. Si suppone l’esistenza di una forza oscura di cui gli scienziati non hanno alcuna idea. Questo evento, legato all’indeterminatezza se l’universo è un sistema chiuso o aperto, porta a mettere in discussione anche il principio della conservazione della energia.


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Informazioni su bruce

Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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