Che cos'è l'energia?

Messaggioda Shackle » 21/10/2016, 06:19

Quando mi sono posto il problema di dare una risposta alla domanda del titolo, pensavo che fosse semplice trovarla. Invece è stato più brigoso del previsto, ma infine neanche tanto. In effetti pensavo che non si potesse dare una definizione del tipo : " L'energia è....." . Io diffido in genere delle risposte date a questa maniera, che spesso non risolvono il problema, anzi complicano le idee. Però la fisica deve dare risposte che devono risolvere i dubbi.

Siccome nell'epoca attuale la prima risorsa che uno ha a disposizione per fare ricerche è la rete, e in particolare Wikipedia, ho cercato lí la definizione di energia , e ho trovato questa :

L'energia è la grandezza fisica che misura la capacità di un corpo o di un sistema fisico di compiere lavoro, a prescindere dal fatto che tale lavoro sia o possa essere effettivamente svolto.

Io trovo che sia una definizione sbagliata. Chi compie il lavoro, prima di tutto, sono le forze agenti sul corpo, non è il corpo. Ma questa definizione è purtroppo ancora molto diffusa. Ho provato a dare un'occhiata all'enciclopedia Treccani : praticamente dice la stessa cosa.
Poi ho consultato alcuni testi, delle superiori ma anche universitari (alcuni sono tradotti da testi americani) , e con sorpresa ho trovato spesso ( ma non sempre, per fortuna) la stessa, assurda definizione ! Uno diceva addirittura che " L'energia cinetica è la capacità di un corpo di compiere lavoro in virtù del suo moto, mentre la potenziale è la capacità di compiere lavoro in virtù della sua posizione " !!!! Mai definizione fu più criticabile di questa ! :roll: :shock: Belle virtù ha questo corpo ! :-D

Facendo altre ricerche, ho trovato una lettera, pubblicata la scorso anno su "La fisica nella scuola", scritta da un docente di fisica che si sta battendo da vent'anni contro certe assurdità. LA lettera è questa .

l'articolo di Lehrman a cui fa cenno il docente " Energy is not the ability to do work" si può leggere qui

Infine, ho guardato con attenzione una divertente lezione del famoso Walter Lewin su YouTube, questa :

https://www.youtube.com/watch?v=9gUdDM6LZGo

Ecco in breve che cosa si può dire , secondo me, seguendo i documenti che ho indicato .
Partiamo dalla definizione di lavoro che le forze di un campo eseguono su un punto materiale che si sposta da una posizione A ad una posizione B :

1) Il lavoro è uno scalare, che si ottiene integrando il lavoro elementare lungo il cammino, da A a B. Qui non c'entra se le forze sono conservative o no (vedi il punto 2 sotto) , si possono avere dei tratti in cui la forza non lo è.
Il lavoro elementare è il prodotto scalare $dL=vecF⋅vec(ds) = F⋅ds⋅cos\alpha$ , in cui $\alpha$ è l'angolo compreso tra i due vettori. Se l'angolo tra il vettore forza e il vettore spostamento elementare è minore di $\pi/2$ il coseno è positivo e quindi il lavoro elementare è positivo.

2) Un campo di forze è detto conservativo quando le forze sono posizionali, cioè dipendono solo dalle coordinate, e il lavoro delle forze, per uno spostamento qualunque tra due punti A e B nel campo, non dipende dal percorso seguito per andare da A a B. (NB : in generale, affinché una forza sia conservativa la condizione che sia posizionale è necessaria ma non sufficiente. Una forza qualsiasi può dipendere in genere dalle coordinate, dalle loro derivate rispetto al tempo, e dal tempo stesso : $F = F(x(t),dotx(t),t) $ )

3) Partendo dalla formula $vecF = mveca$ , mediante alcuni passaggi matematici si arriva facilmente a dimostrare che esiste una quantità , data da $ K = 1/2 mv^2$ e detta " energia cinetica" , tale che il lavoro eseguito da tutte le forze agenti, nello spostamento del punto materiale da A a B, è uguale alla differenza tra l'energia cinetica finale e quella iniziale:

$L_(AB) = K_f - K_i$

" tutte le forze agenti" significa che ci possono essere sia forze conservative che forze non conservative, e comunque va ben individuato il sistema di cui si vuole trattare. Per esempio, se alzo una valigia da terra per un tratto $h$ , io compio sul sistema un lavoro positivo $mgh$ , il campo gravitazionale compie un lavoro negativo $-mgh$ , e il lavoro totale di tutte le forze agenti è zero, come la variazione di energia cinetica.
Questa energia cinetica ha le dimensioni del lavoro, e in definitiva si può dire che questa è l'unica forma di energia: come dice il docente, bisognerebbe anche finirla con la "proliferazione delle varie forme di energia " che si trasformano una nell'altra . È solo una questione di comodo ! In definitiva, è sempre energia cinetica, anche a livello di particelle elementari e di agitazione termica.

3) Per quanto riguarda l'energia potenziale, si può dire che , se il campo è conservativo ( la definizione è quella già vista) , esiste una funzione $U(x,y,z)$ ( le coordinate cartesiane sono solo un tipo di coordinate, possono essere qualsiasi!) , tale che il lavoro è dato dalla differenza $U(A) - U(B)$ tra i valori che questa funzione, detta energia potenziale , assume nella posizione iniziale e nella posizione finale . Se si assume per convenzione un punto $B$ di riferimento in cui si pone che $U(B) = 0 $ , l'energia potenziale in $A$ non è altro che il lavoro che le forze del campo eseguirebbero, se il punto materiale si spostasse da $A$ al punto di riferimento $B$ .
Quindi $U(A) - U(B)$ è uguale al lavoro che le forze conservative compirebbero se il punto si spostasse da A a B .

Percio , si può scrivere, nel caso di forze conservative :

$L_(AB) = K(B) - K(A) = U(A) - U(B) $ , da cui : $ K(B) + U(B) = K(A) + U(A) $

notiamo che la prima uguaglianza vale sempre, invece l'uguaglianza $L_(AB) = U(A) - U(B) $ vale solo se le forze sono conservative, come già detto.
L'ultima uguaglianza non è altro che il principio di conservazione dell'energia meccanica, almeno in fisica classica. In fisica relativistica, il principio di conservazione unifica poi anche quello dell'energia con quello della massa , essendo la massa nient'altro che energia di quiete di una particella $E_0 = mc^2$ .

4) Se poi si vuole considerare un principio più esteso di questo, si possono includere anche le cosiddette "altre forme di energia" , come quella termica o quella di pressione ( utile in meccanica dei fluidi) , che in definitiva però sono sempre riconducibili ad una energia cinetica. Pure quella "perduta" come calore è energia cinetica, a livello di particelle elementari, la famosa "agitazione termica" !

Che cosa ne pensate ?
Ultima modifica di Shackle il 02/08/2017, 06:01, modificato 2 volte in totale.
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Re: Che cos'è l'energia?

Messaggioda v3ct0r » 25/10/2016, 19:31

Io credo che il problema stia nel cercare una definizione intuitiva di energia. L'energia, come ogni altra grandezza fisica, esiste all'interno di un modello matematico, e in tale contesto può essere espressa in vari modi, tra cui quelli che hai citato (come funzione di massa, velocità, etc.). A tal proposito, trovo interessante anche la versione proposta in questo thread, che per certi versi è simile a quello che hai aperto tu: http://www.matematicamente.it/forum/viewtopic.php?f=19&t=138112
Insomma, nel momento in cui si cerca di traslare l'energia dal suo "habitat naturale" (matematico) ad un livello più informale, è inevitabile dover pagare un prezzo in termini di completezza e correttezza.
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Re: Che cos'è l'energia?

Messaggioda Shackle » 25/10/2016, 20:21

Grazie per l'intervento , v3ct0r , prima perchè sei l'unico ad aver scritto qualcosa dopo diversi giorni, e poi perché le tue osservazioni sono un segno tangibile di sensibilità verso la questione. Spero che qualcun altro si senta spinto dal desiderio di postare il proprio commento, invogliato dal primo.
Certamente la risposta fornita nel link che mi hai dato è correttissima, ma per chi non conosce il teorema di Noether, come i ragazzi delle superiori e non solo loro, è un po' misteriosa. Io, come hai visto dai documenti che ho allegato, cercavo una definizione che, pur fuori da un ambito solo matematico, non fosse però fuori da quello fisico. Ritengo che si possa essere rigorosi e semplici nella definizione di energia anche rimanendo su un livello più informale, per usare le tue parole, come ho cercato di esporre.
In definitiva, un corpo si muove perchè una forza lo ha spinto o lo spinge, e dunque quella forza ha fatto un lavoro. Allora l'energia cinetica non mi sembra molto difficile da definire fisicamente : il lavoro si trasferisce al corpo, e diventa energia cinetica. Mi pare che potrebbe andare.
Però, se per essere più informale devo pagare lo scotto del tipo " L'energia è la capacità di compiere lavoro", allora no, non mi sento di pagarlo. Credo perciò che una definizione appena appena più elaborata, con qualche semplice formuletta del tipo $1/2mv^2$ , ci possa stare , senza risultare, per questo, molto pesante. Anche perchè in questa formuletta dell'energia cinetica gli studenti prima o poi incappano , e allora tanto vale presentarla subito chiaramente. E penso soprattutto agli studenti delle scuole superiori, che avranno poi modo di approfondire gli altri concetti negli studi universitari.
Ti ringrazio ancora.
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Re: Che cos'è l'energia?

Messaggioda Faussone » 26/10/2016, 08:46

Sinceramente non è una questione che mi appassiona più di tanto.
Sono d'accordo con quanto detto da v3ct0r. Il termine energia infatti, anche in fisica, è difficilmente circoscrivibile in una definizione rigorosa generale e onnicomprensiva e nessuna definizione generale, secondo me, può essere perfetta al 100%.
Qui se ne era discusso già in passato (ricordo, oltre alla discussione indicata da v3ct0r, anche questa discussione), comunque, per quello che vale, io anche sono dell'idea che, soprattutto come primo approccio al concetto fisico di energia, la definizione di attitudine a compiere un lavoro sia quella migliore alla fine.
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Re: Che cos'è l'energia?

Messaggioda Shackle » 26/10/2016, 12:34

Grazie anche a te, Faussone.
Ho letto, oltre alla risposta attuale, anche tutta la discussione che hai linkato . Il tuo punto di vista è quindi quello che l'energia sia la capacità (o attitudine, è la stessa cosa) che ha un corpo a compiere lavoro. E questo, secondo il mio modesto parere e secondo il ben più autorevole parere del prof che ho citato (ho messo il link a un suo scritto), è sbagliato, anche come definizione "semplice", di primo approccio.
Mi sembra che questa definizione assuma il contrario di ciò che dovrebbe essere, e mi spiego. Secondo la definizione, esiste nel corpo un "quid" , che chiamiamo energia, e che può dare luogo ad un lavoro. Perciò, se ho un oggetto di massa $m$ posto su una mensola ad altezza $h$ dal pavimento, e con una spintarella lo faccio cadere, è l'oggetto che compie il lavoro $mgh $ , consumando (ovvero trasformando in energia cinetica) quel quid ? Per me, è la forza gravitazionale $mg$ che esegue sull'oggetto il lavoro $mg*h$ , l'energia potenziale di conseguenza passa dal valore detto al valore zero, l'energia cinetica passa da zero a $1/2mv^2$ ( e poi questa en.cinetica si trasforma a sua volta, ma non interessa ora quello che succede dopo l'impatto). In questo esempio, l'energia totale (cinetica + potenziale) si conserva, la forza gravitazionale è conservativa. Solo se si considera anche l'attrito con l'aria, l'energia totale del corpo diminuisce di una quantità pari al lavoro della resistenza del mezzo, che è una forza non conservativa.
[NB : è chiaro come il sole che dovremmo parlare più precisamente di differenze di energia, cinetica o potenziale che sia, tra punto iniziale e punto finale : su questo non ci piove! Ma adotto un parlare più semplice, qui]

Del resto, mi sembra che nello scritto del prof quello che ho detto sia espresso molto chiaramente , con queste parole :

E tuttavia io ho qualcosa da contestare anche a Lehrman e alla Hicks. Prima di tutto, a mio parere finisce per essere fuorviante ricorrere, come loro fanno, ad argomentazioni avanzate e al tempo stesso restrittive, tipo principi della termodinamica. Io sono convinto che basti molto meno, credo che basti questo semplice ragionamento di carattere generale. Se veramente l’energia di un corpo K rappresentasse la sua capacità di lavoro, all’esecuzione di un lavoro L da parte di K dovrebbe puntualmente corrispondere una diminuzione L della sua energia. Ma le cose non stanno affatto così, le variazioni dell’energia cinetica di un corpo K dipendono non dal lavoro compiuto da K, ma da quello compiuto da tutte le forze (conservative e non) che a K sono applicate (teorema dell’energia cinetica); e le variazioni dell’energia potenziale di K dipendono a loro volta non dal lavoro compiuto da K, ma da quello delle forze conservative applicate a K (definizione di energia potenziale). Dunque, le eventuali variazioni dell’energia complessiva di K dipendono solo dal lavoro delle forze non conservative applicate a K: il fatto che l’energia di K abbia subìto una certa variazione non ci dice niente sul lavoro che K ha nel frattempo compiuto su altri corpi.[4]

Riflettiamo sulla frase che ho sottolineato, che mi pare esaustiva.

Un'altro punto su cui non sono d'accordo è che non si possa dare una definizione "semplice" di energia. La scritto del prof, a cui mi riferisco, riporta verso la fine un elenco di 7 punti , che a mio parere sono chiari. Come pure è chiaro il contenuto dell'ultimo capoverso : le definizioni della fisica sono spesso diverse da quelle del linguaggio comune ! E perciò, le parole della fisica andrebbero imparate nel contesto della disciplina.
Noi siamo portati a dire, nel comune parlare : ci vuole un bel po' di energia per fare questo lavoro ! Ma le parole della fisica sono diverse, e rovesciano i termini della questione.

Grazie per l'attenzione.
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Re: Che cos'è l'energia?

Messaggioda v3ct0r » 26/10/2016, 14:47

Shackle ha scritto:Un'altro punto su cui non sono d'accordo è che non si possa dare una definizione "semplice" di energia.

Il fatto è che, volendo essere precisi, l'energia di un sistema è un concetto più sottile di quanto sembri, e presenta numerose sfaccettature (certo, possiamo vederla come somma di componenti cinetica e potenziale, ma anche come costante legata a una simmetria della lagrangiana, o come hamiltoniana di un sistema conservativo, etc.)
Alla fine, come scrive Faussone, è difficile che una sola definizione possa inquadrarla in modo completo.
Detto questo, l'energia come "capacità di compiere lavoro" presenta sicuramente vari problemi, discussi nei documenti che hai linkato, e non so dire se sia utile, didatticamente, presentarla in questo modo. Diciamo che, secondo me, il modo migliore per assimilare il concetto di energia è adottare un approccio "alla Feynman", ovvero mettere da parte le definizioni e sporcarsi le mani imparando come funziona (a furia di esercizi :D ).

Shackle ha scritto:La scritto del prof, a cui mi riferisco, riporta verso la fine un elenco di 7 punti , che a mio parere sono chiari.

Una nota a margine: non sono un professore (anzi, mi trovo dalla parte opposta della cattedra), tuttavia non mi trovo molto d'accordo con l'affermazione: "L’energia potenziale di un corpo è il lavoro eventuale delle forze conservative ad esso applicate." A mio avviso, mentre l'energia cinetica può essere associata ad un singolo corpo, non ha molto senso parlare di energia potenziale di un singolo corpo.
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Re: Che cos'è l'energia?

Messaggioda Shackle » 26/10/2016, 15:25

Il fatto è che, volendo essere precisi, l'energia di un sistema è un concetto più sottile di quanto sembri, e presenta numerose sfaccettature (certo, possiamo vederla come somma di componenti cinetica e potenziale, ma anche come costante legata a una simmetria della lagrangiana, o come hamiltoniana di un sistema conservativo, etc.)
Alla fine, come scrive Faussone, è difficile che una sola definizione possa inquadrarla in modo completo.


Se parliamo di lagrangiana o hamiltoniana, penso che non pochi studenti, ma non solo delle superiori, faranno fatica a capire. Qui la critica è soprattutto al concetto di energia di un corpo come "capacità del corpo di compiere lavoro" .

Diciamo che, secondo me, il modo migliore per assimilare il concetto di energia è adottare un approccio "alla Feynman", ovvero mettere da parte le definizioni e sporcarsi le mani imparando come funziona (a furia di esercizi :D)


Perfettamente d'accordo :D !

Una nota a margine: non sono un professore (anzi, mi trovo dalla parte opposta della cattedra), tuttavia non mi trovo molto d'accordo con l'affermazione: "L’energia potenziale di un corpo è il lavoro eventuale delle forze conservative ad esso applicate." A mio avviso, mentre l'energia cinetica può essere associata ad un singolo corpo, non ha molto senso parlare di energia potenziale di un singolo corpo.


Non capisco perchè, secondo te, non ha senso parlare di energia potenziale di un singolo corpo, e perchè non sei d'accordo sulla definizione di EP come lavoro eventuale delle forze conservative . Puoi spiegare il tuo punto di vista ?
Ultima modifica di Shackle il 26/10/2016, 18:47, modificato 1 volta in totale.
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Re: Che cos'è l'energia?

Messaggioda Faussone » 26/10/2016, 16:40

Volevo solo dire che io ho parlato in generale "di attitudine a compiere un lavoro" nella definizione di energia, non di "attitudine di un corpo a compiere un lavoro". Certo poi negli esempi pratici che vengono in mente ci si concretizza a riferirsi a un corpo. Comunque, come dicevo, a mio parere, non è una questione per cui valga la pena dibattere più di tanto, quindi mi ritiro dalla discussione. Insomma io condivido al 100% il punto di vista pragmatico di Feynman con il quale mi pare siamo tutti d'accordo. :smt039
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Re: Che cos'è l'energia?

Messaggioda v3ct0r » 26/10/2016, 17:40

Intendevo che l'energia potenziale non è legata ad un singolo corpo, ma ad un'interazione (ovvero, equivalentemente, ad un insieme di corpi interagenti). Cioè, quando si dice "energia potenziale di un corpo", ad esempio una massa nel campo gravitazionale della Terra, alla fine è solo un abuso di linguaggio, in realtà l'energia potenziale sarebbe del sistema "massa-Terra" (volendo un parere più autorevole del mio, c'è un commento dedicato a questa osservazione sull'Halliday "Fondamenti di Fisica" pag. 153). Boh, poi magari è solo una pignoleria, non ho intenzione di sollevare un polverone al riguardo, però in genere mi trovo meglio a immaginarla in questo modo :)
v3ct0r
 

Re: Che cos'è l'energia?

Messaggioda Shackle » 26/10/2016, 20:39

Intendevo che l'energia potenziale non è legata ad un singolo corpo, ma ad un'interazione (ovvero, equivalentemente, ad un insieme di corpi interagenti


È chiaro che per parlare di energia, almeno in fisica classica, bisogna definire il campo di forze, e qui c'è poco da scegliere: se ci limitiamo a sistemi macroscopici, la scelta è tra interazioni gravitazionali oppure interazioni elettromagnetiche , di qui non si scappa. E questo vale anche per l'energia cinetica.

Per concludere, metto il link ad alcune pagine dimostrative di un libro scritto da Tonzig, dove nei paragrafi 40 e 43 si parla proprio delle definizioni di energia, e degli errori piu comuni.
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