55. Energia. Sue diverse forme. — Abbiamo visto che una massa in moto possiede l’attitudine a eseguire lavoro perdendo la sua velocità. Una tale attitudine può anche esser posseduta da un corpo in quiete per virtù della sua forma o della sua posizione. Così una molla compressa può eseguire lavoro nel distendersi; un grave situato a una certa altezza dal suolo può anch’esso nella discesa vincere delle resistenze.

Chiamando energia l’attitudine di un corpo a eseguire lavoro, noi possiamo dire perciò che un corpo in moto, una molla compressa, un grave sollevato dal suolo possiedono energia; più precisamente si designa col nome di energia cinetica o attuale quella dei corpi in moto, e con quello di energia statica, o potenziale, quella posseduta dai corpi per virtù della loro forma o della loro posizione.

Le due energie posson trasformarsi l’una nell’altra. Così un pendolo ha energia cinetica quando passa per la posizione di riposo, la perde quando raggiunge il massimo spostamento, ma allora ha, rispetto alla posizione di riposo, una certa energia di posizione. Nei punti intermedi possiede insieme energia cinetica di posizione. Si dimostra però in Meccanica che in qualunque punto la somma delle due energie è costante; che cioè, passando da una posizione a un’altra, di tanto si accresce l’una di quanto diminuisce l’altra, come se fosse avvenuta una trasformazione integrale della seconda nella prima o viceversa. Lo stesso può dirsi di un corpo che cade liberamente nel vuoto: l’energia potenziale posseduta alla massima altezza va diminuendo, mentre il corpo va acquistando energia cinetica; e quando il corpo raggiunge il suolo l’energia potenziale si è trasformata integralmente in energia cinetica. Infatti se P è il peso del corpo, e h l’altezza iniziale, l’energia potenziale, che è eguale al lavoro che può eseguire il corpo nella discesa, sarà data da P ' h; ma si ha

P = Mg           (2)

essendo M la massa del corpo e g l’accelerazione della gravità; e inoltre se il corpo impiega t secondi a cadere, la velocità finale sarà

v = gt              (3)

e sarà ancora

4)

Moltiplicando membro a membro la (2) e la (4) sarà

e tenendo presente la (3)

perciò l’energia potenziale primitiva si è trasformata integralmente nella forza viva finale cioè nell’energia cinetica.

Se si procede a un calcolo analogo per le posizioni intermedie, si può constatare che è costante la somma delle due energie.

Tutto ciò presuppone però che il grave sia lasciato libero nella sua caduta, non esistano cioè altre forze che eseguano sul corpo un lavoro motore o resistente; che se intervenisse, per esempio, un ostacolo come l’attrito, allora l’energia potenziale andrebbe scomparendo nella caduta senza un aumento eguale della forza viva, poichè parte del lavoro motore andrebbe impiegato a vincere il lavoro delle nuove resistenze introdotte.

Escludiamo, per il momento, queste resistenze parassite del moto; e, mentre un grave poggia sul suolo, impieghiamo un certo lavoro muscolare per sollevarlo a una certa altezza. Il lavoro da noi eseguito resterà immagazzinato nel corpo come energia di posizione; se adesso si lascia cadere il corpo, lo stesso lavoro si ritroverà sotto forma di energia cinetica: se il corpo battendo sul suolo potesse invertire il senso del moto conservando la velocità (come avverebbe di un corpo perfettamente elastico urtante contro un piano ugualmente elastico) esso risalirebbe all’altezza di prima, riprenderebbe cioè la stessa energia di posizione. In ogni caso adunque il lavoro iniziale da noi eseguito non andrebbe perduto, ma si ritroverebbe in qualunque istante sotto forma di energia cinetica e potenziale del corpo.

Che se il corpo nel suo movimento incontrasse non attrito, ma per esempio una molla deformabile, il nostro lavoro non sarebbe neanche perduto, ma si trasformerebbe in energia potenziale della molla deformata; questa ci restituirà, nel distendersi, il lavoro assorbito. Avremmo così una serie indefinita, molteplice di scambi che lascerebbe inalterato il lavoro primitivo da noi compiuto.

A questa descrizione di fenomeni ideali non corrisponde per nulla la realtà, poichè la presenza delle resistenze passive, e la mancanza di corpi perfettamente elastici fan progressivamente diminuire l’ammontare iniziale dell’energia disponibile, e alla fine di un certo tempo più o meno lungo noi troveremo che il lavoro primitivo è sparito, poichè avremo il corpo al suolo, in quiete, e la molla indeformata; non ritroveremo più, cioè, nè energia di posizione nè energia cinetica.

Un esame più attento dello stato delle cose ci persuaderà però che se dell’energia è sparita, qualche altra cosa è comparsa. In tutti i casi, invero, in cui del lavoro sparisce per causa di attriti o di imperfezioni elastiche dei corpi, si trova che in essi si è sviluppato calore. Noi studieremo più attentamente in seguito questo fenomeno: per ora ci basti dire che il calore prodotto è in misura del lavoro sparito. E siccome in altri casi del calore può sparire, mentre del lavoro si manifesta, e si trova la stessa corrispondenza numerica tra il calore sparito e il lavoro prodotto, noi possiamo far rientrare i fenomeni reali nella descrizione ideale surriferita, nella quale c’era conservazione del lavoro primitivo disponibile, purchè alle forme menzionate di energia se ne aggiunga una nuova, l’energia termica, suscettibile di trasformazioni reciproche con l’energia meccanica.. È chiaro allora, nell’esempio di sopra, che il lavoro muscolare da noi impiegato non è andato perduto, ma si è trasformato in una quantità equivalente di energia termica.

Stabilito che il calore può trasformarsi in lavoro, e viceversa, è chiaro che tutte le sorgenti di calore possono in fondo dare lavoro, possiedono cioè energia. Se, per esempio, si considerano le reazioni chimiche capaci di sviluppare calore, noi potremo ritenere che i corpi reagenti possiedono un’energia reattiva, o energia chimica, che si trasforma in energia termica all’atto della reazione.

Con dei criteri analoghi si sono riconosciute altre forme di energia, tutte trasformabili l’una nell’altra; noi possiamo riferire, in aggiunta alle altre sopramenzionate, l’energia sonora (che è una specie di energia cinetica), l’energia luminosa e specialmente l’energia elettrica che tanta importanza ha acquistato negli ultimi tempi, e che costituisce, come vedremo, la forma più adatta alle trasformazioni.