L'energia cinetica è una grandezza legata al movimento e in particolare alla velocità di un corpo e alla sua massa.
La parola “cinetica” deriva dal greco dal greco kìnesis Kinèo cioè "muovere", quindi l'energia cinetica, come dice il nome stesso, è l’energia legata al moto dei corpi.
L'energia cinetica di solito è indicata con la lettera K o con il simbolo Ec. Essa è definita come: l’energia posseduta da un corpo come conseguenza del suo stesso moto; pertanto, quando un corpo di massa m si muove nello spazio con velocità v, possiede un certo valore di energia cinetica.
L'energia cinetica si misura in joule. Il joule è l'unità di misura del Sistema internazionale per l'energia, il lavoro e il calore, anche se per quest’ultimo è più comune la caloria.
L'energia cinetica è una grandezza scalare, cioè che viene descritta unicamente, dal punto di vista matematico, da un numero senza bisogno di specificare direzione e verso (cosa che invece è necessaria nelle grandezze vettoriali). L'energia cinetica, diversamente dal lavoro, non assume mai valori negativi ma è sempre maggiore o uguale a zero, indipendentemente dalla direzione del moto.
La formula dell'energia cinetica
La formula che permette il calcolo dell'energia cinetica di un corpo la esprime come semiprodotto tra la massa del corpo per il quadrato della sua velocità:
K=
Nella formula su riportata abbiamo:
- K che è l'energia cinetica espressa in joule (J);
- m è la massa del corpo espressa in chilogrammi (kg);
- v è la velocità del corpo espressa in metri al secondo (m/s).
Osservando la formula è possibile fare alcune considerazioni interessanti.
Anzitutto il valore dell'energia cinetica è direttamente proporzionale alla massa m del corpo; cioè se la massa del corpo m raddoppia, l'energia cinetica raddoppia. Allo stesso modo, se la massa triplica l'energia cinetica diventa tripla.
invece è diversa la relazione matematica che lega l’energia cinetica alla velocità, infatti, il valore dell'energia cinetica è direttamente proporzionale al quadrato della velocità v. Ciò vuol dire che quando la velocità raddoppia, l'energia cinetica del corpo quadruplica, mentre al triplicare della velocità, l'energia cinetica del corpo diventa nove volte più grande. Così come, se la velocità dimezza, l'energia cinetica diventa quattro volte più piccola.
In molte circostanze, nella vita quotidiana, variano entrambi i parametri contemporaneamente. Ad esempio, un aereo che decolla varia contemporaneamente la sua velocità, perché sta accelerando, e la sua massa, perché sta bruciando carburante, quindi riduce la sua massa. Dunque l’aumento dell’energia cinetica in questo caso è dato dalla variazione sia della velocità sia della massa.
Da una attenta osservazione della formula si può capire anche perché, come detto in precedenza, l’energia cinetica non assume mai valori negativi. La massa per definizione non può mai essere negativa, mentre la velocità può assumere valori negativi. Ma anche se un corpo possiede velocità negativa, la sua energia cinetica è positiva; perché il valore della velocità è elevato al quadrato e un numero al quadrato, anche se negativo, darà sempre un numero positivo.
Infine, se un corpo è fermo, vuol dire che la velocità v è pari a zero, quindi l'energia cinetica è pari a zero. Del resto questo è intuibile dalla definizione stessa, se l’energia cinetica è l’energia posseduta da un corpo come conseguenza del suo stesso moto, va da sé che il corpo è fermo, non possiede alcuna energia cinetica.
Formule inverse dell’energia cinetica
Dalla formula suddetta che definisce l’energia cinetica è facile ricavare le formule inverse. Se è nota l’energia cinetica di un corpo e la sua massa è possibile ricavare la velocità come segue:
Se invece è nota l’energia cinetica di un corpo e la sua velocità è possibile ricavare la massa come segue:
L'energia cinetica dipende dal punto di riferimento dell’osservatore
La velocità di un corpo dipende dal punto di riferimento con cui il corpo viene osservato. Di conseguenza anche l'energia cinetica ad esso associata dipende dal punto di riferimento con cui il corpo viene osservato. Se l’osservatore è fermo al bordo della strada e vede passare un auto di fronte a sé, per l’osservatore la macchina si muove con velocità v e possiede quindi un determinato valore di energia cinetica.
Ma se l’osservatore invece fosse seduto a fianco del guidatore, secondo il suo punto di riferimento, l'automobile sarebbe ferma e pertanto la sua energia cinetica sarebbe pari a zero.
Teorema dell'energia cinetica
Esiste una relazione tra l’energia cinetica e il lavoro. Questa relazione è espressa dal teorema dell’energia cinetica il cui enunciato dice: dato un corpo che possiede un’energia cinetica iniziale, se una forza agisce su di esso, il lavoro compiuto da detta forza sarà pari alla variazione di energia cinetica. Dunque dall’enunciato possiamo scrivere la formula:
L = Kf – Ki
Nella formula su riportata abbiamo:
- L che è il lavoro;
- Kfè l’energia cinetica finale, cioè l’energia cinetica posseduta dal corpo dopo che la forza ha agito su di esso;
- Kiè l’energia cinetica iniziale, cioè l’energia cinetica posseduta dal corpo all'inizio, quando ancora la forza non ha agito su di esso.
La stessa formula può essere scritta come:
L = ΔK
dove ΔK indica appunto la differenza tra energia cinetica finale ed energia cinetica iniziale:
ΔK = Kf – Ki
Sostituendo a Kf e a Ki la formula dell’energia cinetica, otteniamo la seguente equazione:
Energia cinetica e relatività
Secondo la teoria della relatività, se la velocità del corpo si avvicina alla velocità della luce, l'energia cinetica dello stesso corpo tende all'infinito, pertanto diventa impossibile accelerare il corpo fino a raggiungere tale velocità.
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