L’energia potenziale è l’energia meccanica che un sistema possiede in virtù della posizione relativa dei corpi che lo compongono, all’interno di un campo di forze conservative (come la gravità, la forza elastica o quella elettrostatica).
Il concetto fondamentale è che il lavoro compiuto da una forza conservativa tra due punti A e B dipende solo dalla posizione iniziale e finale, non dal percorso seguito. Questo permette di definire una funzione energia potenziale U tale per cui il lavoro W è pari all’opposto della variazione di U:
Due forme molto comuni in ingegneria civile e meccanica sono:
- Energia potenziale gravitazionale: vicino alla superficie terrestre, un corpo di massa m sollevato a una quota h rispetto a un livello di riferimento (dove si assume U = 0) possiede un’energia:
U_g = m g h
- Energia potenziale elastica: l’energia immagazzinata nella deformazione di un elemento elastico (come una molla con rigidezza k) compresso o allungato di un tratto x:
U_{el} = \frac{1}{2} k x^2
L’energia potenziale tende spontaneamente a minimizzarsi: i sistemi fisici evolvono verso configurazioni di minimo dell’energia potenziale, che corrispondono agli stati di equilibrio stabile.