Energia potenziale: applicazioni
Con il termine di energia potenziale (detta anche energia posizionale) si intende quel particolare tipo di energia che un corpo possiede in relazione alla sua posizione e al suo orientamento nei confronti di un campo di forze conservative (ad esempio, la forza di gravità o la forza elastica). Vediamo insieme in cosa consiste e come può essere applicata.
Qualsiasi oggetto “fermo” può essere spostato dalla sua collocazione originaria verso un’altra posizione attraverso l’azione di una forza applicata all’oggetto stesso, e al relativo compiersi di un lavoro. Questo significa che ogni corpo sottoposto ad una forza conservativa ha una sua energia potenziale, che viene calcolata in termini di variazione.
Formula dell’energia potenziale
Ad esempio, nel caso di un oggetto con una massa definita (m) fermo ad una certa altezza (h1) che, sfruttando l’azione della forza di gravità, viene lasciato cadere fino a raggiungere una seconda posizione (h2), ecco che la forza di gravità compie un lavoro, liberando l’energia potenziale che l’oggetto possiede. In questo caso si tratta di energia potenziale gravitazionale. La variazione di questa energia costituisce il lavoro esercitato dalla forza di gravità per spostare l’oggetto da una posizione all’altra:
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L = mg (h1-h2) = mg h1 – mg h2
Il lavoro compiuto dalla forza di gravità, infatti, non dipende dalla distanza e dal percorso tra le due posizioni, ma dai due punti estremi di partenza e di arrivo. Il lavoro effettuato per sollevare un oggetto verso l’alto avrà segno negativo, poiché viene eseguito in una direzione che contrasta la forza di gravità. Di conseguenza, aumenta l’energia potenziale dell’oggetto sollevato. Al contrario, se l’oggetto cade verso il basso, il lavoro effettuato dalla forza gravitazionale è positivo, e l’energia potenziale diminuisce.
Energia potenziale elastica
Oltre all’energia potenziale gravitazionale, un’altra definizione tipica di questo meccanismo è data dall’energia potenziale elastica. Qui entra in gioco la forza elastica, che può essere ad esempio quella di una molla compressa e poi rilasciata, che torna alla sua posizione originaria compiendo un certo lavoro.
In questo caso, il lavoro consiste nella compressione della molla stessa, che immagazzina l’energia per tornare, appena lasciata libera, nella sua posizione di partenza. Durante questa fase, l’energia potenziale liberata dalla molla compressa si trasforma in energia cinetica. Ne consegue la capacità, da parte della molla, di muovere un oggetto appoggiato ad essa, compiendo a sua volta un lavoro.
Da energia potenziale a cinetica
La trasformazione dell’energia potenziale in energia cinetica è una conseguenza naturale del movimento di un corpo. Durante la caduta di un oggetto, ad esempio, l’energia potenziale diminuisce a favore dell’energia cinetica, che aumenta costantemente. Qualsiasi oggetto o corpo lasciato scivolare lungo un piano inclinato perde quota e, nel corso della discesa, diminuisce la propria energia potenziale.
Acquistando velocità, di conseguenza, incrementa la propria energia cinetica. Al termine della corsa, l’oggetto avrà perso l’energia potenziale, e acquisita l’energia cinetica. In questa situazione, viene inoltre coinvolta anche l’azione dell’attrito dell’aria e della superficie del piano inclinato, che sottraggono energia meccanica all’oggetto, generando però calore, e producendo quindi energia termica.
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Potenziale elettrico
Il potenziale elettrico è una grandezza scalare: ogni punto del campo elettrico si associa ad un valore potenziale, in funzione della posizione spaziale del punto, ma indipendentemente dalla presenza di carica. Il potenziale elettrico di un punto nel campo è il rapporto tra l’energia potenziale elettrica e la carica. L’unità di misura è il Volt, espresso dal simbolo V (un volt è 1J/C).
Energia potenziale e potenziale elettrico
L’energia potenziale elettrica è sostanzialmente l’energia potenziale del campo elettrostatico. Essa è l’energia di una carica elettrica, strettamente connessa con la forza esercitata dal campo generato dalla distribuzione. Insieme all’energia magnetica, quella potenziale elettrica va a costituire l’energia del campo elettromagnetico.
L’energia potenziale elettrostatica è in sostanza il lavoro che si applica per distribuire la carica partendo da una situazione nulla. Essa si può anche definire a partire dal campo elettrostatico generato dalla distribuzione stessa, in tal caso è indipendente dalla sorgente del campo. La misura può essere positiva o negativa.
Da energia potenziale a energia elettrica
L’energia elettrica è molto diffusa nella società moderna, grazie all’allaccio alla rete elettrica o con batterie e accumulatori. Basta pensare all’uso delle luci, alle strade, alla corrente in casa, ai computer, macchine industriali etc. La sua scoperta è stata una rivoluzione tecnologica, economica e sociale, con enormi vantaggi.
Il potenziale elettrico tuttavia non è una fonte primaria, ma viene generata e convertita da altre forme primarie. Il processo di trasformazione, avviene nelle centrali elettriche. Escludendo il fotovoltaico, qui si utilizzano tre sistemi per convertire l’energia potenziale in energia potenziale elettrica: la turbina, l’alternatore e il trasformatore.
La turbina trasforma l’energia potenziale e cinetica di un liquido in energia meccanica e poi in energia elettrica. Questo dispositivo ha un rendimento abbastanza elevato, sopra al 90%. Essa è costituita da una parte fissa e da una girante mobile. Il distributore da la direzione del movimento, azionato dall’energia di pressione e cinetica dell’acqua. Passando dal distribuzione alla girante, l’energia potenziale si trasforma in meccanica, sull’albero motore. Un tempo la produzione della turbina basata era solo energia potenziale, i sistemi moderni invece hanno introdotto anche l’utilizzo di quella cinetica.
