Mentore: Cosa ti viene in mente quando dico che una persona ha molta energia?
Studente: Quella persona è molto attiva, fa molte cose velocemente, ecc.
Mentore: Giusto, e la definizione scientifica di energia non è molto diversa da questa idea. Fondamentalmente, l’energia è la capacità di fare lavoro.
Studente: Ma le persone energetiche non stanno sempre facendo lavoro. La definizione scientifica di lavoro è diversa dalla definizione normale?
Mentore: Esattamente! In termini scientifici, il lavoro è la forza esercitata parallelamente alla direzione del movimento. Ti viene in mente un esempio?
Studente: Quando sollevi una scatola, stai esercitando una forza verso l’alto, la scatola si sta muovendo verso l’alto, e stai facendo un lavoro.
Mentore: Giusto. Dato che l’energia è la capacità di fare lavoro, sai quali tipi di energia esistono?
Studente: Beh, dato che l’energia ha a che fare con gli oggetti in movimento, esiste un’energia di movimento?
Mentore: Sì, questa si chiama energia cinetica. Qualsiasi oggetto che si muove si dice che ha energia cinetica. Ora, cosa succede all’energia se si lancia una palla in aria?
Studente: Vediamo…Mentre la palla si alza in aria, la velocità della palla diminuisce. Questo significa che l’energia diminuisce? E poi quando scende e accelera, l’energia aumenta?
Mentore: L’energia cinetica diminuisce quando la palla sale in aria e rallenta. Poi, quando la palla scende e aumenta la velocità, l’energia cinetica aumenta. Sai perché sto specificando l’energia cinetica?
Studente: Ci sono altri tipi di energia oltre all’energia cinetica?
Mentore: È esattamente così! Secondo la legge di conservazione dell’energia, la quantità di energia in un sistema deve rimanere sempre costante. Ma noi sappiamo che l’energia cinetica diminuisce e aumenta quando lanciamo una palla in aria. Come pensi che questo accada?
Studente: L’energia cinetica è sicuramente decrescente e crescente, quindi immagino che ci debba essere un altro tipo di energia che l’oggetto ottiene mentre sale.
Mentore: Esatto, questo tipo di energia si chiama energia potenziale. Ricordate che ho detto che l’energia è semplicemente la capacità di fare lavoro? Quando gli oggetti si muovono più in alto nell’aria, la loro energia potenziale aumenta a causa dell’effetto della gravità – una palla alta nell’aria può essere lasciata cadere, permettendole di fare lavoro.
Studente: Questo ha senso. Immagino che se si lancia una palla in aria, l’energia potenziale deve aumentare mentre l’energia cinetica diminuisce, e viceversa, in modo che l’energia totale sia sempre la stessa.
Mentore: Sì. L’energia potenziale ha a che fare con l’altezza di un oggetto e come la gravità tira su di esso. Ma basta con l’energia potenziale e cinetica, ci sono altri tipi di energia?
Studente: Non conosco altri modi di fare lavoro oltre a muovere gli oggetti.
Mentore: Beh, se non riesci a pensare a nessun altro tipo di energia, prova a usare di nuovo la legge di conservazione dell’energia. Perché un treno si ferma se metti i freni? Sta perdendo energia cinetica ma non sta guadagnando energia potenziale.
Studente: Ho sempre sentito che i treni si fermano a causa dell’attrito, quindi l’attrito deve essere un tipo di energia.
Mentore: Sei sulla strada giusta. L’attrito in realtà comprende diversi tipi di energia che si possono percepire quando un treno si ferma:
- Energia termica, che è il calore che può essere creato tramite l’attrito.
- Energia Sonora, che è il suono che si sente quando un treno si ferma.
- Energia luminosa, che si può vedere sotto forma di scintille che volano o il metallo caldo del treno che si illumina di rosso.
Studente: Quindi questo significa che quando stai controllando per assicurarti che l’energia totale rimanga costante, devi includere anche tutte queste altre forme di energia.
Mentore: Corretto! Tuttavia, ci sono ancora alcuni altri tipi di energia da considerare.
Studente: Aspetta un attimo, come fanno i fisici a trovare tutti questi tipi di energia? Come puoi dire se qualcosa è energia o no?
Mentore: Il modo più semplice per trovare altri tipi di energia è immaginare un esempio del mondo reale in cui sembra che l’energia non si conservi. La legge di conservazione dell’energia è sempre corretta, quindi ci devono essere uno o più altri tipi di energia per compensare eventuali mancanze. Per esempio, cosa succede alle energie di qualcuno mentre salta su un trampolino?
Studente: Quando atterrano, la loro velocità e la loro energia cinetica diminuiscono, ma stanno scendendo quindi anche la loro energia potenziale diminuisce. I trampolini fanno rumore ed emanano un po’ di calore quando ci si salta sopra, ma non può essere sufficiente per invertire totalmente la caduta. Inoltre, in qualche modo, quando atterri, viene immagazzinata abbastanza energia per mandarti di nuovo verso il cielo. Quindi, ci deve essere un qualche tipo di “energia della molla” che i trampolini guadagnano quando si allungano.
Mentore: Sì, l'”energia della molla” a cui ti riferisci si chiama energia meccanica e descrive l’energia immagazzinata dalle molle, dagli elastici e, sì, dai trampolini.
Studente: Sembra abbastanza facile. Ci sono altri tipi di energia?
Mentore: Ci sono altre tre forme di energia. Puoi capirne qualcuna dalla tua vita e dalle tue esperienze?
Studente: Beh, quando accendo una luce qualcosa deve creare energia luminosa, quindi l’elettricità è un tipo di energia?
Mentore: Assolutamente, l’energia elettromagnetica – l’energia delle particelle caricate elettromagneticamente – è una delle forme più convenienti di energia perché può essere trasferita su grandi distanze e immagazzinata facilmente sotto forma di batterie. Fondamentalmente, l’energia elettromagnetica è l’energia di attrazione tra particelle caricate positivamente e negativamente. Un flusso di elettroni che circola lungo un filo è come l’acqua che scorre lungo un torrente: la forza del suo movimento può essere usata per fare lavoro.
Studente: E vediamo questo tipo di energia in tutta l’elettronica che usiamo, giusto?
Mentore: Giusto! Anche se i fisici stanno attualmente lavorando su una cosiddetta Grande Teoria Unificata che combinerebbe la forza elettromagnetica e gravitazionale, quindi i vostri figli potrebbero dover imparare solo un tipo di energia e forza in meno.
Studente: Wow, a volte dimentico che la fisica continua a cambiare man mano che vengono fatte nuove scoperte. Di solito si tende a pensare agli studi matematici come se fossero fissi, ma in realtà le teorie vengono cambiate in continuazione man mano che vengono fatte nuove scoperte.
Mentore: Buon punto. Infatti, una delle forme più moderne di energia è stata teorizzata per la prima volta nel 1905 ed è stata utilizzata con successo negli anni ’40: l’energia nucleare. Ma c’è ancora una forma di energia conosciuta. Consideriamo la combustione del legno. Quali sono gli input e gli output di energia?
Studente: Vediamo, per bruciare la legna bisogna prima darle fuoco, il che richiede energia termica, ma poi la legna produce molta più energia termica e luminosa della scintilla che ha acceso il fuoco. Forse il legno perde massa mentre brucia, dato che dopo il fuoco rimane sempre meno cenere di quanta ce n’era prima.
Mentore: Questa è un’idea interessante, ma l’unico modo in cui la materia può essere convertita in energia è attraverso un processo nucleare, e chiaramente un falò non causa un’esplosione nucleare. Tutta la massa mancante di cui parli lascia il fuoco sotto forma di fumo e vapore acqueo. No, l’energia del legno è qualcosa di completamente diverso: energia chimica.
Studente: Quindi l’energia chimica è l’energia immagazzinata in qualsiasi cosa infiammabile?
Mentore: Qualsiasi cosa infiammabile ha energia chimica, certamente, sebbene l’energia chimica possa essere immagazzinata anche in oggetti non infiammabili. In generale, l’energia chimica è l’energia immagazzinata nei legami tra gli atomi. Quando il legno brucia, questi legami vengono rotti e la loro energia viene rilasciata sotto forma di luce e calore.
Studente: Quindi l’energia chimica è specifica della sostanza, come l’energia termica.
Mentore: Sì, molti dei tipi di energia sono collegati tra loro. La cosa più importante da ricordare, però, è la legge di conservazione dell’energia. Non importa quale problema tu stia risolvendo, l’energia totale del sistema deve sempre rimanere costante.