Quando qualcuno solleva una tazza di caffè dal tavolo, sta lavorandocontro la gravità.Una volta che la tazza non è più sul tavolo, ma a mezz'aria, ha immagazzinato energia potenziale. Se lasciato andare, cadrebbe.
La forza di gravità è un esempio di aforza conservativa. Altre forze intorno a noi immagazzinano allo stesso modo energia in un sistema tenendo gli oggetti in una particolare configurazione che risulterà in movimento, trasformando l'energia immagazzinata in energia cinetica, una volta rilasciata.
L'energia cinetica e potenziale totale in un sistema è indicata come energia meccanica totale del sistema. L'energia totale è la somma dell'energia meccanica e termica e di altre forme di energia.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
Le forze conservative producono energia potenziale immagazzinata.
Definizione di una forza conservativa
Dai un'altra occhiata a quella tazza di caffè. Se la tazza viene lanciata verso l'alto più in alto della vita della persona prima di essere presa nelle sue mani all'altezza della vita, o se viene semplicemente sollevato fino all'altezza della vita, la quantità di energia potenziale gravitazionale che la tazza contiene alla fine rimane la stesso. Avrà la stessa caduta se scende dall'altezza della vita in entrambi i casi.
In altre parole, la quantità di energia potenziale che un oggetto guadagna dall'esperienza di una forza conservativa èindipendente dal percorso: dipende solo dall'oggettospostamento finale (la differenza tra la posizione finale e la posizione iniziale), non la distanza totale percorsa. Mentre nel primo caso la coppa ha viaggiatopiù lontano in totaledal punto a al punto b – salendo, fermandosi istantaneamente e poi cadendo verso le mani che l'ha catturato - è ancora iniziato e finito nelle stesse posizioni della tazza che è stata semplicemente sollevata su. Ciò rende il cambiamento totale di energia potenzialedalla forza di gravitàper ogni tazza lo stesso.
Al contrario, una forza non conservativa non si traduce in energia immagazzinata. Invece, l'energia usata da una forza non conservativa per fare lavorodissipa nell'ambiente circostante sotto forma di calore (energia termica) e non può essere riutilizzato.
Un'altra definizione comune di forza conservativa è quella in cui il lavoro netto svolto in un percorso chiuso è zero. Un percorso chiuso è quello in cui l'oggetto inizia e finisce nella stessa posizione (il suo spostamento è zero). Perchélavoroin fisica è la forzaFagire su un oggetto moltiplicato per il suo spostamentod
W=Fd
ne segue che se lo spostamento di un oggetto è zero, lo è anche il lavoro totale. La forza che lo ha mosso, quindi, deve essere stata conservatrice.
Esempi di forze conservatrici
Come la gravità, altre forze conservative causano un cambiamento nella posizione di un oggetto che si traduce in energia immagazzinata. Ad esempio, la forza della molla in un giocattolo arrotolato come uno Slinky o una freccia che viene tirata indietro su un arco sono forze conservative, così come lo sono le forze elettrostatiche forze che trattengono due particelle cariche a una certa distanza l'una dall'altra, o le forze magnetiche che trattengono i poli nord e sud o due magneti a barra a parte.
Non appena gli oggetti vengono "lasciati andare" in uno di questi casi, si sposteranno. Lo Slinky si aprirà, la freccia volerà verso il bersaglio o le particelle si attrarranno o si respingono.
Perché le forze conservatrici sono importanti?
Le forze conservative consentono agli umani di immagazzinare energia che può essere successivamente utilizzata per un lavoro utile. Sono una fonte di energia riutilizzabile: un oggetto può essere sollevato da terra affinché la forza gravitazionale agisca su di esso più e più volte e un arco e una freccia possono essere impostati e rilasciati più volte.
Naturalmente, nel mondo reale, le forze conservatrici non esistono in isolamento. In ciascuna delle situazioni qui descritte,una certa energia viene sempre dissipata sotto forma di calore dalla forza di attrito, una forza non conservativa, e non più in grado di tornare direttamente all'energia immagazzinata in quel sistema.
Né le stesse forze conservatrici sono illimitate. Ad un certo punto, una molla allungata raggiungerà il suo limite elastico e si romperà. Una tazza di caffè caduta dall'alto si rompe in modo irreparabile. Ma con una solida comprensione dei limiti di questi oggetti, un fisico o un ingegnere può creare dighe, orologi a pendolo, batterie per auto e una miriade di altri dispositivi che possono fare cose utili.
