sabato 9 marzo 2013

Cos'è l'energia?

Certo, l'argomento non è dei più semplici ma ci provo.

Cominciamo con il dire la verità. L'energia è un numero. In particolare è un numero associato ad un sistema fisico. Perché un numero è così importante? Perché, in alcuni casi, questo numero non può cambiare in un sistema (in particolare se il sistema è isolato).

Per capire quello che accade immaginate di essere in una sala d'attesa di un ufficio con altre 99 persone. Ognuno di voi prende il numerino per entrare. Siccome siete arrivati per ultimi vi tocca il numero 100. Dopo una fase di calma i nervi cominciano a saltare perché l'ufficio ancora non apre. Allora vi sarà la persona anziana che chiede al giovane di fare cambio di numero. E magari il giovane accetta. Oppure ci sarà la mamma con cinque figli che si stanno annoiando e iniziano a piangere. A quel punto sicuramente qualche buon uomo farà passare avanti la signora. Insomma il punto è che probabilmente le persone in fila si scambiano i posti e dunque la composizione della fila cambierà. Tuttavia 100 persone c'erano prima e 100 persone ci sono alla fine. Nulla è cambiato anche se il nostro sistema-fila ha subito delle modifiche. Dunque possiamo dire che l'energia è come il numero di persone; se il sistema non ha contatti con un ambiente esterno quel numero non cambia anche se magari internamente il sistema subisce delle modifiche.

Ovviamente noi abbiamo supposto che dopo la centesima persona non vi fosse più la possibilità di prendere il numerino. Ma questa è un'ipotesi che rende il ragionamento semplice. In realtà sappiamo che in un ufficio c'è gente che va e viene e la fila cambia sia disposizione che volume. Ma in questo caso vi sarebbe interazione con ambienti esterni e quindi il sistema non sarebbe più isolato e l'energia, questo importante numero, non si conserverebbe più.
Voi vi chiederete: ma come è possibile che si tratti solo di un numero? Si parla di energia ovunque in differenti contesti. Verissimo. Questo proprio perché l'energia è un numero! Infatti nell'esempio di sopra abbiamo associato l'energia al numero di persone in fila; non credo vi potevate immaginare un qualcosa del genere. L'energia può assumere differenti forme, ma alla fine della fiera, se si conserva abbiamo che tutte queste differenti forme, sommate, danno sempre come risultato il numero che avevamo all'inizio.

Il punto è che, per un sistema isolato, l'energia è una di quelle cose chiamate "integrali primi del moto". In soldoni vuol dire che è una quantità che non cambia anche se il sistema cambia internamente. Praticamente abbiamo dato un nome a ciò che abbiamo detto finora.
Ve ne sono altri di integrali primi del moto, alcuni famosi altri meno, ma in generale dipende dal sistema considerato.

In particolare, l'energia è legata all'omogeneità del tempo. Cosa vuol dire? Vuol dire che se abbiamo un sistema fisico in cui non crea alcuna differenza scegliere un istante piuttosto che un altro allora abbiamo la conservazione dell'energia. Infatti se il sistema isolato noi possiamo buttare un occhio alla nostra fila in qualunque momento e vedremo sempre 100 persone in fila.
Tutte queste proprietà del numero energia lo rendono perfetto per la descrizione di un sistema fisico e infatti spessissimo si parla dell'energia in fisica. Molto frequentemente, per esempio, si parla di alte energie, insomma un qualcosa di distruttivo e pericoloso. Come può essere pericoloso un numero?
Ottima domanda. Ma la risposta è sempre la stessa. L'energia non è qualcosa di indipendente ma è associato a qualche caratteristica delle particelle che formano il sistema. Per esempio l'energia può essere associata alla velocità delle particelle o alla loro posizione in un campo di forze.

Se una particella si muove con una certa velocità e si trova in un sistema isolato senza campi di forze, allora niente potrà modificare la velocità di quella particella. Dunque il numero energia sarà associato alla velocità della particella. Oppure se una pallina è momentaneamente bloccata ad una molla compressa, noi sappiamo che non appena rilasceremo la molla la pallina schizzerà via più o meno velocemente a seconda di quanto avevamo compresso la molla. In questo caso dunque il numero energia sarà associato alla compressione della molla. O ancora se un vaso di fiori cade dall'ultimo piano di un palazzo sicuramente farà più danni di uno che cade dal piano terra. Quindi in questo caso possiamo associare il numero energia all'altezza del vaso rispetto al suolo.

Insomma, spero sia chiaro che l'energia sia solo un numero. Un numero che è un indicatore delle potenzialità del nostro sistema fisico. Un numero che descrive sinteticamente un sacco di caratteristiche fisiche del nostro sistema. Però, ricordatevi, solo un numero.