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Energia cinetica

Un’auto a 100 km/h possiede un’energia cinetica quattro volte maggiore di quella che ha a 50 km/h.

L’energia del movimento

Tutto ciò che si muove può compiere lavoro su ciò che urta. Una palla da bowling abbatte i birilli, il vento fa girare una turbina, un martello pianta un chiodo. Questa energia del movimento si chiama energia cinetica e, per un oggetto di massa m che si muove a velocità v, vale KE = ½ m v². La massa si esprime in chilogrammi, la velocità in metri al secondo e il risultato si ottiene in joule.

OpenStax propone un esempio di moto lento: un pacco di 30.0 kg che viaggia su una rulliera a 0.500 m/s. La sua energia cinetica è ½ × 30.0 × 0.500² = 3.75 J. Il pacco è pesante, eppure l’energia è piccola, perché la velocità è bassa e compare al quadrato.

Perché conta il quadrato

La massa compare nella formula al primo grado: a parità di velocità, una massa doppia significa energia cinetica doppia. La velocità compare invece al quadrato. Se raddoppi la velocità, l’energia quadruplica; se la triplichi, diventa nove volte maggiore. Ecco perché un’auto a 100 km/h ha un’energia cinetica quadrupla rispetto a quando viaggia a 50 km/h, e perché gli incidenti ad alta velocità sono tanto più gravi.

L’energia cinetica cresce con il quadrato della velocità: 2 × v dà 4 × KE, 3 × v dà 9 × KE.

Il quadrato spiega anche gli spazi di frenata. Per fermare l’auto, i freni devono compiere un lavoro negativo pari alla sua energia cinetica. A parità di forza frenante, il lavoro è forza per distanza, quindi lo spazio di arresto cresce come v². Passare da 60 km/h a 90 km/h significa moltiplicare la velocità per 1.5, ma lo spazio di frenata per (1.5)² = 2.25, senza ancora contare il tempo di reazione.

Il teorema dell’energia cinetica

L’unità 2 spiegava che il lavoro trasferisce energia. Il teorema dell’energia cinetica dice esattamente dove va quell’energia quando un oggetto accelera o rallenta: il lavoro totale compiuto sull’oggetto è uguale alla variazione della sua energia cinetica, W_net = ½ m v² − ½ m v₀². Per lavoro totale si intende il lavoro di tutte le forze insieme, equivalente a quello della forza risultante.

Torniamo al pacco di 30.0 kg. Qualcuno lo spinge con 120 N per 0.800 m, mentre l’attrito oppone una forza di 5.00 N. La gravità e la forza di sostegno sono perpendicolari al moto e non compiono lavoro. La persona compie 120 × 0.800 = 96.0 J e l’attrito compie −5.00 × 0.800 = −4.00 J, quindi il lavoro totale è 92.0 J. Il pacco aveva inizialmente 3.75 J e alla fine ne ha 95.75 J. Risolvendo ½ × 30.0 × v² = 95.75 si ottiene v = 2.53 m/s.

ContestoPer decenni si discusse l’idea che un corpo in movimento possedesse una grandezza proporzionale al quadrato della velocità. Nel 1722 lo scienziato olandese Willem ’s Gravesande lasciò cadere sfere di ottone da altezze diverse nell’argilla morbida. Sfere delle stesse dimensioni ma di massa diversa lasciavano impronte identiche quando le altezze di caduta erano inversamente proporzionali alle masse. L’impronta dipendeva dalla massa per il quadrato della velocità, non dalla massa per la velocità.
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Osserva la barra arancione dell’energia cinetica e la velocità. Poi modifica la massa: le energie cambiano in proporzione, ma la velocità in ciascun punto rimane la stessa.

Puoi usare la formula al contrario per ricavare altre informazioni. OpenStax attribuisce a una pallina da tennis a 100 km/h circa 22 J di energia cinetica. Converti la velocità in metri al secondo, 100 ÷ 3.6 = 27.8 m/s, e ricava la massa da ½ m v² = 22: m = 2 × 22 ÷ 27.8² = 0.057 kg, cioè 57 g, proprio la massa di una vera pallina da tennis. Una zanzara di circa un centesimo di grammo che vola a 0.5 m/s possiede 1.3 × 10⁻⁶ J. Le due energie differiscono di un fattore pari a circa 17 milioni.

Energia cineticaKE = ½ m v²
Raddoppia la velocitàEnergia cinetica quadrupla
Teorema dell’energia cineticaLavoro totale = variazione dell’energia cinetica
Spazio di frenataCresce con il quadrato della velocità (a parità di forza frenante)
Punti chiave
  • KE = ½ m v², in joule.
  • Una massa doppia dà una KE doppia; una velocità doppia la rende quadrupla.
  • Il lavoro totale è uguale alla variazione dell’energia cinetica.
  • Lo spazio di arresto cresce come v² a parità di forza frenante.
  1. Qual è l’energia cinetica, in joule, di un pacco di 30.0 kg a 0.500 m/s?
  2. Una palla di 2 kg si muove a 3 m/s. Qual è la sua energia cinetica in joule?
  3. La stessa palla si muove a 6 m/s. Qual è la sua energia cinetica in joule?
  4. Un camion ha una massa doppia rispetto a un’auto e i due viaggiano alla stessa velocità. La KE del camion è:
    • Il doppio di quella dell’auto
    • Il quadruplo di quella dell’auto
    • La stessa
    • La metà
  5. La velocità passa da 50 km/h a 100 km/h. L’energia cinetica diventa:
    • 4 volte maggiore
    • 2 volte maggiore
    • La stessa
    • 8 volte maggiore
  6. Un’auto passa da 60 km/h a 90 km/h. Per quale fattore aumenta lo spazio di frenata (a parità di forza frenante)?
  7. Lavoro totale sul pacco: spinta di 120 N e attrito di 5.00 N per 0.800 m. Quanto vale in joule?
  8. Qual è la velocità finale di quel pacco (inizialmente a 0.500 m/s), in m/s? (due cifre decimali)
  9. Qual è l’energia cinetica di un’auto di 1200 kg a 20 m/s, in kJ?
  10. Nel teorema dell’energia cinetica, quale lavoro conta?
    • Il lavoro totale di tutte le forze
    • Solo il lavoro che compi tu
    • Solo il lavoro dell’attrito
    • Solo il lavoro della gravità
Fonti di questo corso (8)
  • OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 7.1 Work: the scientific definition (W = F d cos θ, briefcase cases, 1 J = 1 N·m, 1 J lifts a 100 g apple about 1 m, lawn mower 75.0 N at 35° for 25.0 m = 1.54 × 10³ J, 1 kcal = 4186 J, under 10% of food energy goes into work)
  • 7.2 Kinetic energy and the work-energy theorem (KE = ½ m v², 30.0 kg package at 0.500 m/s = 3.75 J, 120 N push with 5.00 N friction over 0.800 m = 92.0 J net, final speed 2.53 m/s, a car at 100 km/h has four times the KE it has at 50 km/h)
  • 7.3 Gravitational potential energy (ΔPE = m g h, reference level, path independence, 0.500 kg cuckoo clock weight raised 1.00 m = 4.90 J, 60.0 kg person landing stiffly from 3.00 m, roller coaster 20.0 m hill: 19.8 m/s, and 20.4 m/s with a 5.00 m/s start, mass cancels)
  • 7.4 Conservative forces and potential energy (spring PE = ½ k x², 0.100 kg toy car, k = 250 N/m, 4.00 cm, 0.180 m rise)
  • 7.5 Nonconservative forces (friction turns mechanical energy into thermal energy)
  • 7.6 Conservation of energy (statement of the law, forms of energy, Table 7.1: 1000 kg car at 90 km/h 3.1 × 10⁵ J, tennis ball at 100 km/h 22 J, mosquito 1.3 × 10⁻⁶ J, daily food intake 1.2 × 10⁷ J, 1 gallon gasoline 1.2 × 10⁸ J, 1 g fat 3.9 × 10⁴ J; efficiency, Table 7.2: cycling and climbing 20%, swimming at the surface 2%, gasoline engine 30%, diesel 35%, coal power plant 42%, electric motor 98%, solar cell 10%)
  • 7.7 Power (P = W ÷ t, 1 W = 1 J/s, 1 hp = 746 W, 60.0 kg woman up 3.00 m stairs in 3.50 s reaching 2.00 m/s = 538 W, Table 7.3: Sun 4 × 10²⁶ W, car 8 × 10⁴ W, person at rest 100 W, heart at rest 8 W, clothes dryer 4 × 10³ W, a 60 W incandescent bulb gives 5 W of light, power plants turn 35 to 40% of fuel energy into electricity, E = P t, 0.200 kW computer 6.00 h a day for 30.0 days = 36.0 kWh, $4.32 at $0.120 per kWh)
  • g = 9.8 m/s² as in OpenStax examples (NIST standard gravity 9.80665 m/s², physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?gn).

Consultato il: 2026-10-17