L’energia meccanica è la somma dell’energia in un sistema meccanico, o qualsiasi gruppo di oggetti che interagiscono in base a principi meccanici di base. Ciò include sia l’energia cinetica, l’energia del movimento, sia l’energia potenziale, l’energia immagazzinata della posizione. Tipicamente, in un sistema meccanico, la gravità è l’unica grande forza esterna che deve essere considerata. In un sistema chimico, al contrario, devono essere prese in considerazione tutte le forze tra le singole molecole e gli atomi.
Background generale
L’energia meccanica esiste sia come energia cinetica che potenziale in un sistema. L’energia cinetica è presente ogni volta che un oggetto è in movimento. L’energia potenziale si basa sulla posizione di un oggetto; è energia immagazzinata e non può funzionare da sola. Può, tuttavia, essere convertito in altre forme di energia, compresa l’energia cinetica. Una palla da bowling sospesa a 10 piedi (3 m) dal suolo, ad esempio, non ha energia cinetica perché non si muove. Tuttavia, ha una grande quantità di energia potenziale (in questo caso, energia potenziale gravitazionale) che verrebbe convertita in energia cinetica se la palla fosse lasciata cadere.
Le lezioni di fisica delle scuole superiori spesso iniziano istruendo gli studenti sui principi di base dei sistemi meccanici e della loro energia. Questo perché in genere sono più facili da visualizzare e da semplificare. I calcoli di base su questi sistemi possono essere eseguiti senza utilizzare il calcolo. Nella maggior parte dei problemi fisici semplici, il sistema meccanico rimane chiuso e vengono ignorati i fattori che normalmente toglierebbero energia al sistema, come l’attrito e la resistenza dell’aria.
Come calcolare l’energia meccanica
L’energia meccanica totale può essere calcolata semplicemente sommando l’energia potenziale e cinetica del sistema. L’energia potenziale (PE) è il prodotto dell’altezza dell’oggetto dal suolo (h), della sua massa (m) e dell’accelerazione gravitazionale terrestre (g, che è 9.8 m/s2).
PE = h × m × g
L’energia cinetica di un oggetto (KE) è il prodotto di 1/2 della sua massa e della sua velocità al quadrato (v).
KE = 1/2mv2
La massa è espressa in chilogrammi (kg), l’altezza in metri (m), la velocità in metri al secondo (m/s) e l’energia in joule (j).
Ad esempio, l’energia potenziale di una palla da bowling di 5 chilogrammi (11 libbre) che si trova a 3 metri (10 piedi) dal suolo è 147 joule (5 kg × 3 m × 9.8 m/s2 = 147 j) se la palla è in movimento o a riposo. Se anche quella palla cade a una velocità di 2 m/s, la sua energia cinetica è 10 joule (1/2 × 5 kg × 22 m/s = 10 j).
Una volta note l’energia potenziale e cinetica, si può trovare l’energia meccanica totale. I due tipi di energia vengono semplicemente sommati.
Energia meccanica = PE + KE
In questo esempio, l’energia meccanica totale della palla da bowling è 157 joule (147 j + 10 j = 157 j).
Energia meccanica vs. chimica e nucleare
Esistono molte altre forme di energia, ea volte può essere difficile distinguere correttamente l’una dall’altra. L’energia chimica, per esempio, è quell’energia immagazzinata all’interno dei legami chimici nelle molecole. L’energia nucleare è l’energia presente nelle interazioni tra le particelle nel nucleo di un atomo. L’energia meccanica, al contrario, generalmente ignora la composizione degli oggetti e guarda solo gli oggetti in questione, senza preoccuparsi della loro composizione molecolare.
Questo focus è progettato per semplificare i calcoli per l’energia meccanica e i sistemi meccanici. Gli oggetti in questi sistemi sono generalmente trattati come oggetti individuali invece che come la somma di miliardi di molecole. Calcolare sia l’energia cinetica che potenziale di un singolo oggetto è un compito semplice; calcolare questi tipi di energia per miliardi di molecole sarebbe estremamente difficile. Senza semplificare le parti in un sistema meccanico, gli scienziati dovrebbero esaminare i singoli atomi e tutte le interazioni e le forze esistenti tra di loro. Questo è tipicamente riservato alla fisica delle particelle.
Conversione tra tipi di energia
L’energia meccanica può essere convertita in altri tipi di energia utilizzando attrezzature speciali. Ad esempio, i generatori sono progettati per prendere il lavoro meccanico e trasformarlo in elettricità. Anche altri tipi di energia possono essere convertiti in energia meccanica; ad esempio, il motore a combustione interna di un’auto converte l’energia chimica contenuta nel carburante in energia meccanica utilizzata per far muovere l’auto.