Energia potenziale: cos'è, definizione, esempi

L'energia potenziale è l'energia che esiste in virtù delle posizioni relative (configurazioni) degli oggetti all'interno di un sistema fisico. Questa forma di energia ha il potenziale per cambiare lo stato di altri oggetti intorno ad essa, per esempio, la configurazione o il movimento. In sintesi, l'energia potenziale è l'energia immagazzinata.

Varie forme di energia possono essere raggruppate come energia potenziale. Ognuna di queste forme è associata ad un particolare tipo di forza che agisce in congiunzione con alcune proprietà fisiche della materia (come la massa, la carica, l'elasticità, la temperatura, ecc).

Ad esempio:

• l'energia potenziale gravitazionale è associata alla forza gravitazionale che agisce sulla massa dell'oggetto;
• l'energia potenziale elastica con la forza elastica (in definitiva forza elettromagnetica) che agisce sull'elasticità di un oggetto deformato;
• l'energia potenziale elettrica con la forza di Coulomb;
• La forza nucleare forte o la forza nucleare debole agiscono sulla carica elettrica dell'oggetto;
• l'energia potenziale chimica con il potenziale chimico di una particolare configurazione atomica o molecolare che agisce sulla struttura atomica/molecolare della sostanza chimica che costituisce l'oggetto;
• l'energia potenziale termica con la forza elettromagnetica in congiunzione con la temperatura dell'oggetto.

Un oggetto può immagazzinare energia come risultato della sua posizione. Per un esempio di energia potenziale gravitazionale, si consideri un libro posto sopra un tavolo.

Per sollevare il libro dal pavimento al tavolo, bisogna fare del lavoro e fornire l'energia. (Se il libro è sollevato da una persona, allora questo è fornito dall'energia chimica ottenuta dal cibo di quella persona e poi immagazzinato nelle sostanze chimiche del corpo.)

Supponendo una perfetta efficienza (nessuna perdita di energia), l'energia fornita per sollevare il libro è esattamente la stessa dell'aumento dell'energia potenziale gravitazionale del libro.

L'energia potenziale del libro può essere rilasciata buttandolo fuori dal tavolo. Quando il libro cade, la sua energia potenziale viene convertita in energia cinetica. Quando il libro colpisce il pavimento, questa energia cinetica viene convertita in calore e suono dall'impatto.

Un altro esempio è la palla pesante di una macchina da demolizione, che immagazzina energia quando viene tenuta in posizione elevata.

Questa energia di posizione immagazzinata viene definita energia potenziale. Allo stesso modo, un arco teso è in grado di immagazzinare energia come risultato della sua posizione.

Quando assume la sua posizione abituale (cioè, quando non è teso), non c'è energia immagazzinata nell'arco.

Tuttavia, quando la sua posizione è alterata rispetto alla sua posizione di equilibrio abituale, l'arco è in grado di immagazzinare energia in virtù della sua posizione. Questa energia di posizione immagazzinata viene definita energia potenziale. L'energia potenziale è l'energia immagazzinata della posizione posseduta da un oggetto.

Definizione semplice

L'energia potenziale è l'energia che un oggetto ha a causa della sua posizione rispetto ad un altro oggetto.

Esempi

• Quando ci si trova in cima a una tromba delle scale, si ha più energia potenziale di quando si è in basso, perché la terra può tirare verso il basso attraverso la forza di gravità, facendo un lavoro nel processo.
• Quando si tengono due calamite separate, hanno più energia potenziale di quando sono vicine tra loro. Se le lasciate andare, si muoveranno l'una verso l'altra, lavorando nel processo.

Energia potenziale gravitazionale ed elastica

I due esempi di cui sopra - una macchina per demolizioni e un arco teso - illustrano due forme di energia potenziale: energia potenziale gravitazionale ed energia potenziale elastica.

• L'energia potenziale gravitazionale è l'energia immagazzinata in un oggetto come risultato della sua posizione verticale o altezza. L'energia è immagazzinata come risultato dell'attrazione gravitazionale della Terra per l'oggetto. L'energia potenziale gravitazionale della palla massiccia di una macchina da demolizione dipende da due variabili - la massa della palla e l'altezza a cui è sollevata. C'è una relazione diretta tra l'energia potenziale gravitazionale e la massa di un oggetto. Oggetti più massicci hanno una maggiore energia potenziale gravitazionale.
• Un'altra forma di energia potenziale è l'energia potenziale elastica. L'energia potenziale elastica è l'energia immagazzinata nei materiali elastici come risultato del loro allungamento o compressione. L'energia potenziale elastica può essere immagazzinata in elastici, corde elastiche, trampolini, molle, un arco teso, ecc. La quantità di energia potenziale elastica immagazzinata in un dispositivo di questo tipo è correlata alla quantità di allungamento del dispositivo - più vi è allungamento, più energia immagazzinata.