L'energia cinetica è l'energia associata al moto di un corpo. Formule per traslazione e rotazione, teorema lavoro-energia.
Energia cinetica traslazionale
Ek = ½mv² [J = kg·m²/s²]
L'energia cinetica è proporzionale alla massa e al quadrato della velocità. Raddoppiare la velocità quadruplica l'energia cinetica: ecco perché la distanza di frenata cresce rapidamente con la velocità.
Energia cinetica rotazionale
Ek,rot = ½Iω²
Dove I è il momento d'inerzia di massa [kg·m²] e ω la velocità angolare [rad/s]. Un volano sfrutta questo principio per accumulare energia.
Teorema dell'energia cinetica
Lnet = ΔEk = ½mv₂² − ½mv₁²
Il lavoro netto di tutte le forze agenti su un corpo è uguale alla variazione della sua energia cinetica. Se il lavoro è positivo, il corpo accelera; se negativo, decelera.
Conservazione dell'energia meccanica
Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2
In assenza di forze non conservative (attrito), la somma di energia cinetica e potenziale si conserva. Un oggetto in caduta libera converte energia potenziale in cinetica: v = √(2gh).
Applicazioni pratiche
Frenata: l'energia cinetica viene dissipata in calore nei freni. Un'auto di 1500 kg a 100 km/h ha Ek ≈ 579 kJ.
Volani: accumulano energia rotazionale per smorzare variazioni di coppia nei motori.
Crash test: l'energia cinetica da dissipare determina la deformazione della struttura del veicolo.
Domande frequenti
L'energia cinetica traslazionale (½mv²) descrive il moto lineare di un corpo, mentre quella rotazionale (½Iω²) descrive la rotazione attorno a un asse. Un oggetto che rotola possiede entrambe le forme di energia cinetica.
L'energia cinetica cresce con il quadrato della velocità (½mv²). Raddoppiando la velocità, l'energia da dissipare nei freni quadruplica, quindi la distanza di frenata è circa 4 volte maggiore.
Un volano è una massa rotante che accumula energia cinetica rotazionale (½Iω²). Serve a smorzare le variazioni di coppia nei motori e a immagazzinare energia meccanica per rilasciarla quando necessario.
Si usa la formula Ek = ½mv². Ad esempio, un'auto di 1500 kg a 100 km/h (27,78 m/s) ha Ek = ½ × 1500 × 27,78² ≈ 579 kJ. Tutta questa energia deve essere dissipata in calore durante la frenata.
Solo negli urti perfettamente elastici l'energia cinetica totale si conserva. Negli urti anelastici (come un incidente stradale) parte dell'energia cinetica si trasforma in deformazione, calore e suono. La quantità di moto si conserva sempre in entrambi i casi.