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 ! Belle virtù ha questo corpo !
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 ?