L'astronomo risponde Fisica Universo

Tutta questione di energia

Sono anche io nel mio piccolo appassionato di astronomia e dello studio dell’universo e di ciò che ci circonda. Volevo chiedere se è possibile definire il concetto di energia e che cosa sia l energia. Oltre alle tante forme di energia che sperimentiamo nella vita quotidiana (energia elettrica, termica, sonora, luminosa…) è possibile in qualche modo capire cosa sia l’energia? Anche in relazione ad ogni forma di vita sulla Terra e ad ogni livello di indagine, da quelle atomiche a quelle cosmiche, è possibile definire o comunque avere un quadro più chiaro del concetto di energia? Personalmente queste questioni mi richiamano a indagini forse più filosofiche legate all’intima natura delle cose del nostro mondo.Marco

Alcuni regali che si ricevono nella vita lasciano il segno. Un giorno, quando ero all’università, un editore mi ha regalato quattro libri fantastici sulla fisica, scritti da qualcuno che la fisica la ha veramente capita: Richard Feynman. Il titolo è quasi banale: The Feynman lectures on physics. Il contenuto è bellissimo.
La tua domanda non è affatto banale e rispondere non è facile. Apro il primo volume.

E’ importante tenere presente che nella fisica odierna, noi non abbiamo cognizione di ciò che sia l’energia. Abbiamo formule per calcolare alcune quantità numeriche, la cui somma non cambia qualsiasi cosa accada. Si tratta di un’astrazione, in quanto non ci insegna il meccanismo o i motivi delle varie formule.Feynman, Volume 1 – parte 1

Siamo messi bene!
Vediamo in greco: ἐνέργεια (energheia), composto di en intensivo ed ἔργον (ergon) opera, azione, lavoro (ἔργον si ritrova in tante nostre parole, per esempio “chirurgo”: χείρ (cheir) mano ed ἔργον, colui che opera con le mani). Bene, il greco ci rimanda dritti filati alla definizione di energia che ci insegnano a scuola e che trovi anche su wikipedia:

L’energia è la grandezza fisica che misura la capacità di un sistema fisico di compiere lavoro.

A questo punto, sorge un’altra domanda: il lavoro cos’è? Sempre da wikipedia:

In fisica, il lavoro è l’energia scambiata tra due sistemi quando avviene uno spostamento attraverso l’azione di una forza, o una risultante di forze, che ha una componente non nulla nella direzione dello spostamento.

Vien quasi da alzare gli occhi al cielo: per definire la parola energia usiamo il lavoro, e per definire il lavoro usiamo l’energia. Però attenzione: abbiamo introdotto anche qualcos’altro: forza e spostamento. E per la fisica, se per esempio una forza non compie spostamento, allora non c’è lavoro.

La parola lavoro ha in fisica un significato molto diverso da quello usato nelle circostanze comuni. Se uno tiene sollevato per un po’ un peso di 100kg, non compie un lavoro; nondimeno, comincia a sudare, a tremare, ad avere il respiro pesante, come se stesse correndo su per una scalinata. Tuttavia, il correre su per le scale è considerato un lavoro per la fisica, mentre nel sostenere un oggetto in una posizione fissa non si compie lavoro. Nel sostenere un peso, uno compie un lavoro fisiologico. Deve consumare alimenti per tenere sollevato il peso.Feynman, Volume 1 – parte 1

Quindi, per tenere sollevati 100kg ho bisogno di introdurre calorie: ecco un’altra forma di energia.
L’energia ha un gran numero di forme diverse e vi è una formula per ciascuna di esse: l’energia gravitazionale, l’energia cinetica, termica, elastica, elettrica, chimica, radiante, nucleare, l’energia di massa.

Esiste una legge che governa tutti i fenomeni naturali conosciuti sino ad oggi: è una legge esatta nel limite delle nostre conoscenze e si chiama conservazione dell’energia. Non è la descrizione di un meccanismo o di un fenomeno concreto, è soltanto il fatto singolare di poter calcolare un numero, e dopo aver osservato i mutamenti capricciosi della natura, ricalcolarlo ottenendo sempre lo stesso risultato.Feynman, Volume 1 – parte 1

Per amore delle fonti, mi piace citare quello che credo sia il primo tentativo di definire la conservazione dell’energia. Secondo Cartesio Dio conserva nel mondo la stessa quantità del moto che il mondo ha ricevuto al momento della creazione. Potremmo fare a meno di citare Dio, comunque il concetto è che per Cartesio si conserva la quantità di moto totale, \(\sum m_i \vec v_i\), con m massa e v velocità. Discostandosi da Cartesio e i suoi allievi, Leibnitz invece asserisce che in natura si conserva \(\sum m_i \vec v_i^2\), che Leibnitz chiama vis viva, la “forza viva”. A meno del fattore \(1/2\), questa rappresenta la conservazione dell’energia cinetica. Oggi noi sappiamo che l’energia cinetica è solo una delle tante forme di energia e lei da sola non si conserva sempre: se in un sistema l’energia cinetica aumenta, è perché qualcuno dall’esterno sta facendo un lavoro con una forza; se diminuisce è perché viene prodotto lavoro (il teorema delle forze vive). Ci si ripresenta il binomio energia/lavoro.
Dopo questa lunga introduzione sul mondo della meccanica, facciamo un breve giro per altri mondi.

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Energia e vita umana – originale su commons

Nel mondo delle cariche elettriche parliamo di energia elettrica. Possiamo riusare alcuni concetti, per esempio la dissipazione dell’energia. In meccanica, se abbiamo dissipazione, per esempio in presenza di forze di attrito, assistiamo alla trasformazione di parte dell’energia meccanica in energia termica (ma ben conosciamo l’equivalenza tra calore e lavoro). Anche le resistenze elettriche dissipano l’energia del generatore: una resistenza attraversata da corrente elettrica genera calore (per effetto Joule).
Passiamo ora nel mondo dell’energia radiante, l’energia della luce, e sappiamo che siamo ancora in presenza di una forma di energia elettrica. Sgattaioliamo nel mondo dell’energia chimica, di cui una parte è energia cinetica degli elettroni e un’altra energia elettrica tra elettroni e protoni.
Scendiamo ora nel mondo del nucleo e troviamo l’energia nucleare: non è elettrica né gravitazionale, siamo in un nuovo mondo! Se visitiamo infine il mondo della relatività abbiamo l’energia di massa: un oggetto possiede energia per il solo fatto di esistere, è meraviglioso e potentissimo!
Bene. Il viaggio è stato veloce e gira un po’ la testa, ma ora sappiamo che per ciascuna di queste forme di energia abbiamo una formula. Non sappiamo bene cosa sia l’energia, ma sappiamo che la somma totale si conserva.

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Scritto da

eduinaf_avatar_autori Bianca Salmaso

Osservatorio Astronomico di Brera, INAF

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