L'energia cinetica è l'energia della massa in movimento. in altre parole, l'energia cinetica di un oggetto è l'energia che ha grazie al suo movimento.
Nella meccanica newtoniana (classica), che descrive oggetti macroscopici che si muovono ad una piccola frazione della velocità della luce, l'energia cinetica (E) di un corpo massiccio in movimento può essere calcolata come la metà della sua massa (m) volte il quadrato della sua velocità (v): E = ½mv2.
Si noti che l'energia è una quantità scalare, cioè non dipende dalla direzione, ed è sempre positiva. Quando raddoppiamo la massa, raddoppiamo l'energia; tuttavia, quando raddoppiamo la velocità, l'energia aumenta di un fattore quattro.
Forse la proprietà più importante dell'energia cinetica è la sua capacità di lavorare. Il lavoro è definito come la forza che agisce su un oggetto nella direzione del movimento. Il lavoro e l'energia sono così strettamente correlati da essere intercambiabili.
Mentre l'energia del moto è solitamente espressa come E = ½mv2, il lavoro (W) è più spesso pensato come forza (F) per distanza (d): W = Fd. Se vogliamo cambiare l'energia cinetica di un oggetto massiccio, dobbiamo lavorarci sopra.
Per esempio, per sollevare un oggetto pesante, dobbiamo lavorare per superare la forza di gravità e spostare l'oggetto verso l'alto. Se l'oggetto è due volte più pesante, ci vuole il doppio del lavoro per sollevarlo alla stessa distanza.
Ci vuole anche il doppio del lavoro per sollevare lo stesso oggetto al doppio della distanza. Allo stesso modo, per far scivolare un oggetto pesante su un pavimento, dobbiamo superare la forza di attrito tra l'oggetto e il pavimento.
Il lavoro richiesto è proporzionale al peso dell'oggetto e alla distanza da percorrere. (Si noti che se state portando un pianoforte sulla schiena in fondo ad un corridoio, non state facendo alcun lavoro reale).
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Definizione: che cos'è l' energia cinetica?
L'energia cinetica è l'energia che un oggetto ha per il suo moto.
Se vogliamo accelerare un oggetto, allora dobbiamo applicare una forza. Applicare una forza ci impone di lavorare. Dopo il lavoro, l'energia è stata trasferita all'oggetto, e l'oggetto si muoverà con una nuova velocità costante. L'energia trasferita è nota come energia cinetica, e dipende dalla massa e dalla velocità raggiunta.
L'energia cinetica può essere trasferita tra gli oggetti e trasformata in altri tipi di energia.
Ad esempio, uno scoiattolo volante potrebbe scontrarsi con uno scoiattolo fermo.
In seguito alla collisione, una parte dell' energia cinetica iniziale dello scoiattolo potrebbe essere stata trasferita nel scoiattolo o trasformata in qualche altra forma di energia.
Teorema / Formula: come possiamo calcolare l' energia cinetica?
Teorema dell'energia cinetica e dell'energia del lavoro: il teorema dell'energia di lavoro afferma che il lavoro svolto da tutte le forze che agiscono su una particella è uguale alla variazione dell'energia cinetica della particella.
Il principio del lavoro e dell'energia cinetica (noto anche come teorema dell'energia di lavoro) afferma che il lavoro svolto dalla somma di tutte le forze che agiscono su una particella è uguale alla variazione dell'energia cinetica della particella. Questa definizione può essere estesa ai corpi rigidi definendo il lavoro della coppia e dell'energia cinetica di rotazione.
Per calcolare l'energia cinetica, seguiamo il ragionamento sopra delineato e iniziamo trovando il lavoro fatto, W , da una forza, F , in un semplice esempio. Considerare una scatola di massa m che viene spinta attraverso una distanza d lungo una superficie da una forza parallela a quella superficie. Come abbiamo imparato prima, ecco la formula:
W=F⋅d=m⋅a⋅d
Se ricordiamo le nostre equazioni cinematiche del movimento, sappiamo che possiamo sostituire l'accelerazione se conosciamo la velocità iniziale —vi e finale -vf e la distanza, ottenendo così la formula:
Quindi, quando viene fatto un lavoro netto su un oggetto, la quantità di lavoro ½m che chiamiamo energia cinetica K cambia. Formula:
Energia Cinetica: K = ½m · ν²
In alternativa, si può dire che il cambiamento dell'energia cinetica è uguale al lavoro di rete svolto su un oggetto o sistema. Formula:
Wnet=ΔK
Questa formula è nota come teorema lavoro-energia e si applica abbastanza in generale, anche con forze che variano in direzione e grandezza. E' importante nello studio della conservazione dell' energia e delle forze conservatrici.
Esempi sull'energia cinetica
Ci sono un paio di cose interessanti sull'energia cinetica che possiamo vedere dalle formule qui sopra.
L'energia cinetica dipende dalla velocità dell'oggetto al quadrato. Ciò significa che quando la velocità di un oggetto raddoppia, la sua energia cinetica quadruplica.
Per esempio, un'auto che viaggia a 60 km all'ora ha quattro volte l'energia cinetica di un'auto identica che viaggia a 30 km all'ora, quindi ha potenzialmente quattro volte più potenza di distruzione in caso di incidente.
L'energia cinetica deve essere sempre pari a zero o positiva. Mentre la velocità può avere un valore positivo o negativo, la velocità quadrata è sempre positiva.
L'energia cinetica non è un vettore.
Quindi, una palla da tennis lanciata dritta con una velocità di 5 metri al secondo, ha esattamente la stessa energia cinetica di una palla da tennis lanciata verso il basso con la stessa velocità di 5 metri al secondo.
Energia cinetica ed energia potenziale
L'energia cinetica può essere immagazzinata. Ad esempio, ci vuole del lavoro per sollevare un peso e collocarlo su uno scaffale o per comprimere una molla. Cosa succede all'energia?
Sappiamo che l'energia può essere solamente conservata, cioè non può essere creata o distrutta, ma solo convertita da una forma all'altra. In questi due casi, l'energia cinetica viene convertita in energia potenziale perché, pur non svolgendo effettivamente un lavoro, ha il potenziale per farlo. Se lasciamo cadere l'oggetto dallo scaffale o rilasciamo la molla, quell'energia potenziale viene convertita nuovamente in energia cinetica.
Per approfondire: Energia potenziale: cos'è, definizione, esempi
L'energia cinetica può anche essere trasferita da un corpo all'altro in una collisione, che può essere elastica o anelastica. Un esempio di collisione elastica sarebbe una palla da biliardo che ne colpisce un'altra.
Ignorando l'attrito tra le palle e il tavolo o qualsiasi rotazione impartita alla palla di stecca, idealmente l'energia cinetica totale delle due palle dopo la collisione è uguale all'energia cinetica della palla vicina alla stecca prima della collisione.
Un esempio di collisione anelastica potrebbe essere un vagone ferroviario in movimento che urta una macchina stazionaria simile e si aggancia ad essa. L'energia totale rimarrebbe la stessa, ma la massa del nuovo sistema sarebbe raddoppiata.
Il risultato sarebbe che le due auto continuerebbero nella stessa direzione ad una velocità inferiore tale che mv22 = ½mv12, dove m è la massa di un'auto, v1 è la velocità della prima auto, e v2 è la velocità delle auto accoppiate dopo la collisione. Dividendo per m e prendendo la radice quadrata di entrambi i lati si ottiene v2 = √2/2∙v1. (Si noti che v2 ≠ ½v1.)
Inoltre, l'energia cinetica può essere convertita in altre forme di energia e viceversa.
Ad esempio, l'energia cinetica può essere convertita in energia elettrica da un generatore o in energia termica dai freni di un'auto.
Al contrario, l'energia elettrica può essere convertita in energia cinetica da un motore elettrico, l'energia termica può essere convertita in energia cinetica da una turbina a vapore e l'energia chimica può essere convertita in energia cinetica da un motore a combustione interna.
