Che cos'è l'energia cinetica e qual è la formula?

Un pallone che rotola, un uccello in volo, un'auto sulla strada e perfino le minuscole particelle dell'aria hanno energia cinetica, perché si muovono. Un'auto parcheggiata non ne ha. La parola viene dal greco kínesis, "movimento". L'energia cinetica si vede all'opera ogni volta che un corpo in movimento produce un effetto: una palla da bowling abbatte i birilli, il vento fa girare una pala eolica, un martello pianta un chiodo.

L'energia cinetica dipende da due grandezze: la massa e la velocità. La formula è:

K = ½ · m · v² (in molti libri si scrive anche Ec = ½ m v²)

• m è la massa in chilogrammi (kg)
• v è la velocità in metri al secondo (m/s)
• K è l'energia in joule (J)

La velocità è al quadrato, e questo cambia tutto. Se la massa raddoppia, l'energia cinetica raddoppia. Ma se la velocità raddoppia, l'energia cinetica diventa quattro volte più grande; se triplica, nove volte. Un'auto a 100 km/h ha quindi quattro volte l'energia cinetica che ha a 50 km/h. Per questo la velocità è così pericolosa in un incidente e lo spazio di frenata cresce così in fretta: i freni devono trasformare in calore tutta quell'energia.

Da dove viene il ½? Spingi un corpo di massa m, inizialmente fermo, con una forza costante F lungo uno spostamento s. Il lavoro L = F · s diventa energia cinetica. Con F = m · a e la formula del moto uniformemente accelerato v² = 2 · a · s, lo spostamento è s = v² / (2a), quindi L = m · a · v² / (2a) = ½ · m · v². Il ½ nasce dal fatto che il corpo parte piano: la sua velocità media durante la spinta è la metà di quella finale. È il teorema dell'energia cinetica: il lavoro totale fatto su un corpo (il lavoro della forza risultante) è uguale alla variazione della sua energia cinetica.

L'energia cinetica è una grandezza scalare: ha un valore ma non una direzione, e non è mai negativa. In questo è diversa dalla quantità di moto (p = m · v), che è un vettore.

L'energia non si crea e non si distrugge, si trasforma. L'energia cinetica si scambia spesso con l'energia potenziale gravitazionale (U = m · g · h). Una palla che cade perde energia potenziale e guadagna altrettanta energia cinetica, se l'attrito dell'aria è piccolo. La somma delle due è l'energia meccanica, che si conserva in assenza di attriti. Sulle montagne russe o su un'altalena l'energia passa di continuo da una forma all'altra. È la gravità che tira la palla verso il basso e la fa accelerare.

L'energia cinetica si può anche trasformare in energia elettrica: le pale eoliche sfruttano quella del vento, le centrali idroelettriche quella dell'acqua che scende, la dinamo della bici quella della ruota, e le auto elettriche e ibride recuperano energia in frenata (frenata rigenerativa) per ricaricare la batteria.

Le formule inverse: m = 2 · K / v² e v = √(2 · K / m). Per trovare la velocità, moltiplica l'energia per 2, dividi per la massa ed estrai la radice quadrata.

Qual è la formula dell'energia cinetica?#

K = ½ · m · v²: metà della massa per il quadrato della velocità. Con la massa in chilogrammi e la velocità in metri al secondo, il risultato è in joule.

Qual è l'unità di misura dell'energia cinetica?#

Il joule (J), come per ogni forma di energia. Un joule è 1 kg · m²/s², proprio ciò che si ottiene moltiplicando kg per (m/s)². I valori grandi si esprimono in kilojoule (kJ).

Che differenza c'è tra energia cinetica ed energia potenziale?#

L'energia cinetica è dovuta al movimento. L'energia potenziale è immagazzinata per la posizione o la forma, come un libro su uno scaffale alto (gravitazionale) o una molla compressa (elastica). Quando un corpo cade, l'energia potenziale diventa cinetica.

Come varia l'energia cinetica quando la velocità raddoppia?#

Diventa quattro volte più grande, perché la velocità è al quadrato: (2v)² = 4v². Se invece raddoppia la massa, l'energia cinetica semplicemente raddoppia.

Qual è la formula inversa per trovare la velocità?#

v = √(2 · K / m). Per esempio, con K = 400 J e m = 8 kg: v = √(800 / 8) = √100 = 10 m/s. Per la massa: m = 2 · K / v².

Come si trasforma l'energia cinetica in energia elettrica?#

Con un generatore: il movimento fa ruotare una calamita rispetto a una bobina di filo (o viceversa), e questo produce corrente. Succede nelle centrali idroelettriche, nelle pale eoliche e nella dinamo della bicicletta.

Che cos'è l'energia cinetica media di un gas?#

Le particelle di un gas si muovono di continuo, quindi hanno energia cinetica. La temperatura misura la loro energia cinetica media: più il gas è caldo, più le particelle sono veloci.