Energia potenziale

L’energia potenziale \(U\) è l’energia che compete ad un corpo materiale, o a un sistema di corpi, in virtù della sua posizione in un campo di forza conservativo come un campo gravitazionale o un campo elettrico. In altre parole è la capacità di compiere lavoro associata alla posizione rispetto ad un punto di riferimento.

Tipico esempio di energia potenziale sono le energie di legame atomico, che garantiscono la stabilità degli atomi e dei loro nuclei atomici (vedi energia chimica). Altri esempi di energia potenziale sono:

  • l’energia elettrostatica;
  • l’energia magnetica;
  • l’energia raggiante (energia elettromagnetica);
  • l’energia elastica.

Energia potenziale elastica

Si definisce energia elastica l’energia potenziale immagazzinata a seguito della una deformazione di un oggetto elastico (solido o fluido); come ad esempio la compressione o lo stiramento di una molla. Rappresenta il lavoro compiuto dal corpo elastico dal momento in cui subentrano forze esterne a deformarlo geometricamente e a modificarne il suo stato di quiete.

In altre parole, nonostante la forza subita, il corpo elastico riesce sempre a ritornare alla forma geometrica antecedente alla deformazione (senza subire deformazioni macroscopiche permanenti), proprio grazie all’energia immagazzinata.

Energia potenziale gravitazionale

L’energia potenziale gravitazionale (tipicamente indicata con la lettera \(U\)) è l’energia potenziale relativa alla forza di attrazione gravitazionale fra masse. In altre parole è l’energia che un oggetto possiede quando immerso in un campo gravitazionale in base alla sua posizione (altezza rispetto ad un punto di riferimento).

Formula per il calcolo dell’energia potenziale gravitazionale

L’energia potenziale gravitazionale rappresenta l’energia potenziale associata al campo gravitazionale, che viene rilasciata (convertita in energia cinetica) quando i corpi cadono, o si attragono, l’uno verso l’altro. L’energia potenziale gravitazionale aumenta quando due i due corpi vengono allontanati ulteriormente.

In generale, la formula per calcolare l’interazione tra due corpi o particelle nello spazio è la seguente:

\[U=-\dfrac{GMm}{R}\]

dove \(G\) è la costante di gravitazione universale, \(M\) e \(m\) le masse dei due corpi ed \(R\) la distanza tra i due.

Considerando il caso comune sulla superficie terrestre, fissato un punto di riferimento (suolo), quando un corpo si trova ad una certa altezza rispetto al suolo, esso possiede un certo quantitativo di energia potenziale. Infatti, quando il corpo viene lasciato cadere, esso acquista velocità (energia cinetica), dovuta all’azione della forza di gravità, che compie lavoro sul corpo.

Questa energia si può osservare solo quando il corpo viene messo in movimento, per questo prende il nome di energia potenziale gravitazionale.

La formula per il calcolo dell’energia potenziale gravitazionale \(U\) di un corpo di massa \(m\) posto ad un’altezza \(h\) rispetto al livello zero del sistema di riferimento è pari al prodotto dell’altezza per la massa per l’accelerazione di gravità \(g\) = 9,81 m/s2:

\[U=hmg\]

In pratica l’energia potenziale gravitazionale rappresenta il lavoro compiuto dalla forza-peso quando il corpo si sposta dalla posizione iniziale (altezza \(h\)) a quella di riferimento (livello zero).

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