Scienza&Giochi: Energia

L’Energia nei Videogiochi e nella Fisica

Nei videogiochi, l’energia è una risorsa centrale che definisce gran parte delle dinamiche di gioco, sia che si tratti della capacità di un personaggio di combattere, muoversi o sopravvivere. Pensiamo alla “barra della vita” o alla “stamina”: la barra della vita rappresenta la resistenza fisica del personaggio e possiamo immaginare che rappresenti quanta energia ha ancora a disposizione per mantenre i suoi sistemi vitali attivi. La stamina, invece, misura la capacità di compiere azioni fisicamente impegnative come correre, saltare o attaccare, rappresentando piuttosto l’energia disponibile per un uso immediato: dove infatti la vita si recuperariposando e/o mangiando, la stamina richiede poco tempo per ricaricarsi, in modo simile a come ci si riprende da una malattia o da una ferita nel primo caso, da una corsa nel secondo. Entrambe, pur non rappresentando esattamente i concetti fisici, rispecchiano l’idea di “energia” come capacità di svolgere un’azione

Tuttavia, nel mondo reale l’energia assume una varietà di forme diverse e può essere convertita da una all’altra.
Questo principio di trasformazione dell’energia, la cosiddetta “conservazione”, è uno dei fenomeni cardine che danno vita alla nostra realtà: andiamo a vedere come funziona l’enegia e come entra in gioco nei mondi ludici!

Che cos’è l’Energia?

Quando diciamo che un sistema possiede energia, intendiamo che ha la capacità di compiere azioni fisiche.
Per esempio, se solleviamo un oggetto pesante, stiamo compiendo “Lavoro”, e l’energia necessaria per sollevare quell’oggetto proviene dai nostri muscoli.
Ma che cos’è il lavoro in fisica? Il lavoro è definito come il prodotto tra una forza (applicata a un oggetto) per la distanza su cui tale forza viene esercitata. In altre parole, per fare lavoro dobbiamo applicare una forza su un oggetto e spostarlo in una certa direzione. Questo significa che maggiore è la forza o maggiore è la distanza su cui agiamo, più lavoro viene compiuto. Pensiamo a un motore che spinge un mezzo di trasporto: il lavoro effettuato da esso è pari alla forza che il motore applica sul mezzo per la distanza che il mezzo copre durante la spinta del motore.

Conservazione dell’Energia

In fisica, l’energia è una una quantità astratta che può essere trasformata, trasferita e conservata.
L’energia non può essere creata o distrutta, ma può solo trasformarsi da una forma all’altra, e questa trasformazione è ciò che governa il comportamento dei sistemi fisici.
Un esempio tipico è la caduta di un oggetto: un corpo avrà, a causa della sua altezza, una certa energia potenziale gravitazionale (vedi oltre). Via via che cade, l’oggetto riduce la sua altezza ma acquisisce velocità: diminuisce quindi la sua energia potenziale ma aumenta l’energia cinetica (vedi oltre).
Lo stesso fenomeno è vero anche al contrario: un oggetto scagliato verso l’alto con una certa velocità (e quindi energia cinetica) rallenterà piano piano perdendo energia cinetica ma salendo di quota, aumentando quindi la sua energia potenziale, fino a che esso non avrà esaurito la sua spinta e cadrà nuovamente a terra.

Tipi di Energia

L’energia può assumere molte forme diverse. L’energia chimica immagazzinata nel cibo che mangiamo si trasforma in energia meccanica quando corriamo o solleviamo pesi. Allo stesso modo, l’energia chimica di una batteria si trasforma in energia elettrica e poi in energia cinetica in un’auto elettrica.
Il concetto fondamentale qui è che l’energia può cambiare forma, ma la quantità totale di energia rimane invariata in un sistema isolato: questo è il principio di conservazione dell’energia.
Esistono diverse forme di energia, ognuna con le sue caratteristiche e applicazioni. Vediamo alcune delle più comuni e rilevanti, con esempi concreti:

1. Energia Cinetica

L’energia cinetica è l’energia che un corpo possiede grazie al suo movimento.
Qualsiasi cosa che si muove ha energia cinetica, e la sua quantità dipende dalla velocità e dalla massa dell’oggetto.
Nello specifico, l’energia cinetica è pari alla velocità al quadrato per metà della massa.

Un esempio classico nei videogiochi è una freccia scagliata da un arco.
Quando tendiamo l’arco, accumuliamo energia potenziale elastica (di cui parleremo a breve), che viene poi convertita in energia cinetica quando la freccia viene scagliata. Più l’arco è teso, maggiore sarà l’energia cinetica trasferita alla freccia!

2. Energia Potenziale Gravitazionale (su un pianeta)

L’energia potenziale gravitazionale è l’energia immagazzinata in un oggetto a causa della sua altezza rispetto a un punto di riferimento, come la superficie terrestre. Questa energia aumenta con l’altezza dell’oggetto, e quando l’oggetto cade, l’energia potenziale gravitazionale si trasforma in energia cinetica.
Nello specifico, questa energia è pari al prodotto tra massa, altezza e accelerazione di gravità del pianeta.
Cadendo dalla stessa altezza su pianeti diversi, si avrà una differente energia potenziale che, durante la caduta, si trasformerà in altrettanta energia cinetica: pianeti con una gravità inferiore vedranno infatti velocità di impatto minori.

3. Energia Potenziale Elastica

L’energia potenziale elastica è l’energia immagazzinata in un oggetto quando viene deformato, come una molla compressa o un arco teso: è dovuto all’interazione tra le molecole che compongono il corpo e che si oppongono alla compressione o allo stiramento.
Quando la deformazione viene rilasciata, questa energia viene convertita in energia cinetica.
Come menzionato sopra, questo è ciò che accade quando tendiamo un arco in un videogioco: più lo tendiamo, maggiore sarà l’energia elastica accumulata, e quindi più lontano e con più forza volerà la freccia.

Altri tipi di energia

Esistono vari altri tipi di energia.
L’energia chimica è l’energia immagazzinata nei legami tra le molecole di una sostanza. Questa energia viene rilasciata durante le reazioni chimiche, come la combustione di carburanti o la digestione del cibo.
Le batterie, ad esempio, immagazzinano energia chimica che può essere convertita in energia elettrica e poi in energia meccanica per far funzionare un dispositivo.
L’energia termica è l’energia associata al movimento casuale delle particelle all’interno di un oggetto. Quando riscaldiamo un oggetto, aumentiamo la sua energia termica. Questo tipo di energia è ciò che percepiamo come calore.
Esiste poi l’energia elettrica, energia gravitazionaxle (in generale), energia nucleare ecc.

BONUS: Il Lavoro e la Conservazione dell’Energia

Il concetto di lavoro è strettamente legato all’energia. Come abbiamo detto in precedenza, quando si compie lavoro, si trasferisce energia da un corpo all’altro o si trasforma l’energia all’interno di un sistema.
Formalmente, il lavoro è definito come il prodotto di una forza applicata su un oggetto per lo spostamento effettuato da quell’oggetto nello stesso verso e direzione della forza: visto che, in linea generale, lungo un percorso l’angolo tra forza e spostamento può variare, è possibile esprimere il lavoro totale come somma di tanti piccoli contributi usando una notazione integrale.

dove con γ si indica un percorso compiuto da corpo, F la forza applicata e dS l’elemento di spostamento.

Conservazione dell’energia nei sistemi meccanici

Il principio di conservazione dell’energia afferma che l’energia totale di un sistema isolato rimane costante nel tempo. Questo significa che, sebbene l’energia possa cambiare forma (ad esempio, da potenziale a cinetica, o da cinetica a termica), la quantità totale di energia non cambia mai. Questo principio è alla base di molte delle leggi fisiche fondamentali e può essere applicato a una vasta gamma di fenomeni naturali.

Per chiarire il concetto, facciamo un esempio con una catapulta. Quando un masso viene lanciato in aria, l’energia elastica della catapulta compie lavoro sul sasso, trasformandosi così nella sua energia cinetica e, via via che il masso sale, l’energia cinetica viene convertita in energia potenziale gravitazionale. Quando il masso raggiunge l’altezza massima, tutta l’energia cinetica è stata convertita in energia potenziale: mentre il masso ricade, l’energia potenziale viene nuovamente trasformata in energia cinetica, fino a quando non impatta il suolo.

Se consideriamo l’intero processo senza attrito o altre perdite, possiamo affermare che l’energia meccanica totale (energia cinetica + energia potenziale) del masso rimane costante durante il volo, anche se si alterna tra cinetica e potenziale.