Energia meccanica: cos’è, quali forme esistono e come fa a conservarsi

L’energia meccanica di un sistema è la somma di energia cinetica ed energia potenziale che il sistema possiede. Ma a cosa corrispondono queste due componenti, qual è il loro significato e quando l’energia meccanica si conserva? Scopiamolo insieme!

La definizione di energia meccanica

L’energia meccanica, E, si misura in Joule [J] e può essere espressa come somma: E = K + U, dove K corrisponde all'energia cinetica e U all'energia potenziale. Ma cosa sono esattamente queste due componenti?

• L’energia potenziale gravitazionale, U, è quella legata alla posizione del sistema rispetto al riferimento (nel nostro caso, la Terra) e, dunque, all’altezza da terra. È proporzionale alla massa del sistema m, all’attrazione di gravità g e all’altezza h.
• L’energia cinetica, K, è invece quella legata al movimento e, dunque, alla velocità. In meccanica classica, ovvero a velocità ben al di sotto della velocità della luce, tale energia è proporzionale alla massa m e al quadrato della velocità v;

Il principio di conservazione

Per il principio di conservazione dell’energia, l’energia meccanica è costante nei sistemi "conservativi", ovvero dove non ci sono forze come l’attrito che dissipano calore.
In poche parole, all'interno di un sistema l’energia cinetica si può trasformare in energia potenziale e viceversa, ma la loro somma resta costante, pari all’energia meccanica del sistema. Quando ci dondoliamo sull'altalena convertiamo energia potenziale in energia cinetica e viceversa. Alle estremità, quando invertiamo il senso di marcia, abbiamo energia cinetica nulla e solo energia potenziale. Quando siamo al centro, abbiamo energia cinetica massima, e dunque massima velocità.

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Teorema dell'energia cinetica

Quando due sistemi differenti scambiano energia meccanica, viene compiuto un lavoro, L. Dal teorema dell'energia cinetica sappiamo che il lavoro compiuto è pari alla variazione di energia cinetica fra lo stato iniziale (1) e lo stato finale (2):

L = K₂ – K₁.

Se l'energia cinetica aumenta, il lavoro viene generato dal sistema (per convezione è positivo). Se l'energia cinetica diminuisce, il lavoro viene fatto dall'esterno sul sistema (per convezione è negativo).
Di conseguenza, in un sistema conservativo dove l'energia meccanica si conserva (E1 = E2), la variazione di energia cinetica totale deve essere uguale alla variazione di energia potenziale:

K1 + U1 = K2 +U2 

Da ciò deriva che il lavoro corrisponde all'inverso della variazione di energia potenziale:

L = -(U2 – U1).

Energia meccanica, interna e totale

L’energia meccanica non è da confondere con l’energia interna di un sistema, chiamiamola I, posseduta dalle molecole che lo compongono, come ad esempio l’energia traslazionale e vibrazionale delle molecole o quella posseduta dagli elettroni. L'energia totale di un sistema si definisce come la somma di energia meccanica ed interna, e dunque pari alla somma di cinetica, potenziale ed interna di un sistema:

E_totale = E + I = K + U +I.