Energia cinetica

Definizione

Che cosa ha di diverso un mattone che cade da 10 metri da un mattone fermo? E un bambino sul triciclo che corre lungo una discesa rispetto a quando era fermo? Che una differenza ci sia ce ne accorgiamo mentre ne fermiamo il movimento: dovremo applicare una certa quantità di “forza” per compiere il “lavoro” di fermarli.
Anche nella circolazione stradale abbiamo a che fare con “corpi” (automobili, moto ecc.) che si muovono, e che certe volte vengono fermati usando il freno; altre volte invece si fermano entrando in contatto fra loro o con “corpi” fermi (pedoni, muri, guard-rail ecc.) e producono danni: se stessero immobili non succederebbe niente!
Quello che rende diverso un corpo in movimento da un corpo fermo è la quantità di energia cinetica che esso possiede. Il modo in cui si produce l’energia ed i sistemi per governarla od annullarla in modo che non faccia danni è l’argomento di questa sezione, dove vedremo anche perché le cinture di sicurezza sono utili e che cosa succede quando un veicolo ed i passeggeri a a bordo si fermano molto rapidamente, ad esempio per un urto contro un “corpo”.


Velocità, massa, energia cinetica

Abbiamo appena visto che di energia cinetica sono dotati gli oggetti in movimento, proprio a causa del movimento. Un veicolo in movimento ha energia cinetica; le persone o le cose che viaggiano dentro o sopra il veicolo hanno anch’esse energia cinetica. Infatti, si muovono con la stessa velocità del veicolo.

C’è una formula, semplice ma molto interessante, che mette in relazione l’energia cinetica con la massa e la velocità dell’oggetto:

Ecinetica = massa (in kg) moltiplicata per velocità (in metri al secondo) al quadrato, il tutto diviso 2:

Ec = m · v2 / 2

Pertanto, il suo valore si quadruplica al raddoppio della velocità. Questo significa che anche un piccolo incremento di velocità può avere importanti effetti: basta che ad esempio la velocità passi da 40 a 60 km/h e già l’energia cinetica assume un valore più che doppio.

Quindi, la velocità è un elemento critico: raddoppiare la velocità significa quadruplicare l’energia cinetica.

L’importanza dell’energia cinetica la scopriamo tutte le volte che un qualcosa ci cade addosso: una tegola pesa poche centinaia di grammi, ma se ci colpisce dopo che si è staccata dal tetto (e quindi con una certa velocità), gli effetti non sono piacevoli. Urtando il nostro corpo, produce un (doloroso!) lavoro di deformazione della parte interessata, dopodiché si ritroverà ferma.

Ma l’energia cinetica ha anche aspetti positivi per la nostra vita di tutti i giorni; quando, ad esempio, puliamo la superficie della carrozzeria infangata dell’auto con un veloce getto d’acqua, ad esempio, è l’energia cinetica delle molecole liquide, proiettate contro la superficie, quella che esegue il lavoro meccanico di pulizia, rimuovendo ed allontanando lo sporco. Più il getto è veloce e migliori saranno i risultati.

L’energia cinetica infatti è in grado di svolgere un lavoro, cioè, in sostanza, di spostare oggetti: il getto d’acqua, entrando in contatto con le particelle di fango sull’auto, trasferisce su di esse l’energia, applicando una forza in grado di farle muovere.

D’altra parte, anche per fermare un oggetto in movimento occorre un certo lavoro: se vi è capitato di dover fermare un carrello – o una valigia, o un bambino sul suo triciclo – che ha imboccato una discesa, sapete bene di cosa stiamo parlando!

Insomma, energia e lavoro sono in uno stretto rapporto: se c’è energia c’è la possibilità di ottenere un lavoro; d’altra parte, per contrastare un corpo che possiede energia cinetica occorre impiegare una certa quantità di lavoro. Non è un caso, infatti, che sia per l’energia che per il lavoro si impiega, in fisica, la stessa unità di misura: il Joule (pron. giàul).

È proprio questo lavoro che consuma (cioè esaurisce ed annulla) l’energia cinetica, riducendola a zero e facendo fermare la tegola o qualunque oggetto che, essendo in movimento, è dotato di energia cinetica.

Riprendiamo ora l’esempio della tegola, o del bambino sul triciclo che sta muovendosi con … spaventosa velocità lungo la discesa: sono tutti in possesso di una certa quantità di energia cinetica.

Per fermarli, dovremo applicare in direzione contraria a quella del movimento una forza F di entità tale da fargli perdere velocità fino a farla arrivare a zero. La quantità di forza da applicare dipenderà da due elementi: dalla massa dell’oggetto e da quanto rapida vogliamo che sia quella perdita di velocità.


 

Velocità, tempo, decelerazione

Abbiamo visto quanto sia importante la velocità: se raddoppia, si quadruplica l’energia cinetica del “corpo” in movimento, e quindi il lavoro necessario per fermarlo. Tuttavia, un alto valore della velocità, di per sé, non è un problema.

La Terra viaggia nello spazio, ruotando attorno al Sole con noi ben poggiati su di essa, alla fantastica velocità di circa 100 mila km orari, ma neanche ce ne accorgiamo. Infatti, è una velocità costante, senza brusche decelerazioni.

Mentre li fermiamo con le mani, la tegola, il mattone o una palla sembreranno pesare molto di più delle poche centinaia di grammi che constatiamo quando finalmente si sono fermati. Come mai? Tutto dipende da quanto tempo è passato tra quando le nostre mani hanno iniziato a fermarli ed il momento del loro arresto, e dalla velocità che possedevano al momento in cui abbiamo iniziato a fermarli. In altre parole, tutto dipende dalla loro decelerazione.

Decelerazione (ed il suo termine opposto, accelerazione, quando la velocità aumenta) è la differenza tra la velocità iniziale e la velocità finale durante un certo tempo, divisa per il tempo stesso. Se un’auto viaggia a 72 km/h (cioè a 20 metri al secondo: 72.000 metri divisi per i 3.600 secondi di un’ora) e, azionato il freno, si ferma dopo un secondo, la sua decelerazione è di 20 metri al secondo per secondo. Se, con un freno più energico, si ferma in mezzo secondo, la sua decelerazione è di 40 metri al secondo per secondo (20:0,5 = 40).
Se invece, azionata da motore, un’auto passa da 0 a 144 km/h in 8 secondi, la sua accelerazione è di 5 metri al secondo per secondo (40:8 = 5): ogni secondo la sua velocità aumenta di 5 metri al secondo.


 

Il fattore G

C’è un valore di accelerazione che è particolarmente significativo per tutto ciò che si trova sulla Terra.
La Terra attrae verso il basso tutti gli oggetti, ed il mattone ha iniziato a cadere verso il basso con un’accelerazione ben precisa: 9,81 metri al secondo per secondo.
Questo è il valore medio dell’accelerazione terrestre al livello del mare, e per convenzione lo si indica con la lettera G.
È da questo fattore che dipende il “peso” degli oggetti sulla Terra: quanto più ci alziamo dal livello del mare tanto meno si esercita l’attrazione terrestre e, diminuendo il valore dell’accelerazione, diminuisce il nostro “peso”. Sulla cima dell’Everest, insomma, avremmo un “peso” di qualche grammo inferiore…

Ogni volta che un “corpo” viene accelerato o viene decelerato applicando ad esso una “forza”, il soggetto che applica la forza ne percepirà un “peso” diverso, a seconda dell’accelerazione o decelerazione ottenuta.
Ogni volta che diamo un calcio ad un pallone o lo fermiamo con la gamba o con le mani, è come se avesse un “peso” diverso da quello che ha, da fermo, su una bilancia.
Se lo calciamo con una forza tale da fargli raggiungere un’accelerazione iniziale di 2 G (cioè di 19,6 metri al secondo per secondo) al momento del contatto con il piede sarà “come se” raddoppiasse il suo peso. Se, mentre ci viene incontro velocissimo, lo fermiamo con le mani ottenendo una decelerazione di 10 G, è “come se” il pallone pesasse 10 volte il suo “peso da fermo”.


Accelerazione, decelerazione, forze

Accelerare o decelerare un “corpo” fino a fargli raggiungere una certa velocità – dopodiché, in assenza di attriti o di forze contrarie, la velocità sarà mantenuta per inerzia – implica, come abbiamo visto, l’applicazione di una forza: non è senza importanza il modo in cui questa forza viene applicata. Torniamo all’esempio del pallone per capire meglio.

Nel momento in cui il pallone urta contro il piede o contro la mano, nell’area di contatto viene applicata la forza necessaria per lanciarlo o per fermarlo. E sarà ben diverso se il pallone viene fermato usando un dito, il taglio della mano, la mano intera o il torace del portiere: a diverse aree di applicazione della forza corrisponde una diversa quantità di forza per centimetro quadrato. Nell’area di contatto i “materiali” che si affrontano hanno comportamenti tipici a seconda delle forze che vi vengono applicati per ogni centimetro quadrato.
Ogni “materiale” (legno, metallo, le nostra diverse ossa, la pelle, i nostri organi), secondo la quantità di “forza” che vi viene applicata per centimetro quadrato e secondo la durata dell’applicazione, ha comportamenti diversi: si piega, oppure si schiaccia, o si deforma, oppure si spezza.

Vedremo nella prossima pagina (Energia cinetica applicata ai veicoli) come tutte le cose di cui abbiamo parlato possono servire a farci capire meglio certi elementi di base della “sicurezza passiva” dei veicoli.
In un’ altra pagina (Definizioni di base) troviamo invece un “riassunto” di alcune definizioni di base della fisica che abbiamo usato anche in questa pagina.

Bibliografia:

In ogni buon manuale di fisica per la scuola media o per le scuole superiori si possono trovare approfondimenti su questa pagina.

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