أحد القوانين الأساسية للكون هو أن الطاقة لا تُخلق ولا تُدمر - إنها فقط تغير أشكالها. وبالتالي ، توجد العديد من الصيغ للطاقة. لفهم كيف أن هذه الصيغ هي تعبيرات عن الشيء نفسه ، من المهم أن نفهم أولاً ما يعنيه علماء الفيزياء عندما يتحدثون عن الطاقة. إنها فكرة متجذرة في مفاهيم الفيزياء الكلاسيكية كما أوضحها السير إسحاق نيوتن.
صيغة طاقة الحركة هي:
KE = 0.5 \ مرات م \ مرات v ^ 2
حيث KE هي الطاقة الحركية بالجول ، و m الكتلة بالكيلوجرام و v السرعة بالأمتار في الثانية.
القوة والعمل
تشكل قوانين نيوتن الثلاثة للحركة أساس الفيزياء الكلاسيكية. يعرّف القانون الأول القوة بأنها التي تسبب الحركة ، ويربط القانون الثاني القوة المؤثرة على جسم ما بالتسارع الذي يمر به. إذا عجلت قوة (F) جسمًا خلال مسافة (د) ، فإنها تؤدي قدرًا من الشغل (W) يساوي القوة مضروبة في المسافة في عامل يفسر الزاوية بينهما (θ ، الحرف اليوناني ثيتا). كتعبير رياضي ، هذا يعني:
W = Fd \ cos {\ theta}
الوحدات المترية للقوة هي نيوتن ، وتلك الخاصة بالمسافة هي أمتار وتلك الخاصة بالعمل هي نيوتن متر أو جول. الطاقة هي القدرة على القيام بالعمل ، ويتم التعبير عنها أيضًا بالجول.
الطاقة الحركية والطاقات الكامنة
يمتلك الجسم المتحرك طاقته في الحركة ، والتي تعادل العمل المطلوب لإعادته للراحة. وهذا ما يسمى بطاقته الحركية ، ويعتمد على مربع سرعة الجسم (v) بالإضافة إلى نصف كتلته (م). يمتلك الجسم الساكن في مجال الجاذبية الأرضية طاقة كامنة بحكم ارتفاعه ؛ إذا سقطت بحرية ، فستكتسب طاقة حركية مساوية لهذه الطاقة الكامنة. تعتمد الطاقة الكامنة على كتلة الجسم وارتفاعه (h) والتسارع بسبب الجاذبية (g). رياضيا ، هذا هو:
PE = mgh
طاقة كهربائية
يعتمد حساب الطاقة في الأنظمة الكهربائية على كمية التيار المتدفق عبر أ موصل (I) بالأمبير ، وكذلك على الجهد الكهربائي ، أو الجهد (V) ، يقود التيار ، في فولت. ضرب هاتين المعلمتين يعطي قوة الكهرباء (P) بالواط ، وضرب P في الوقت أثناء تدفق الكهرباء (t) بالثواني يعطي مقدار الطاقة الكهربائية في النظام ، في جول. التعبير الرياضي للطاقة الكهربائية في دائرة موصلة هو:
E_e = Pt = VIt
وفقًا لهذه العلاقة ، فإن ترك مصباح بقدرة 100 وات لمدة دقيقة واحدة يستهلك 6000 جول من الطاقة. هذا يعادل كمية الطاقة الحركية التي يمكن أن تحصل عليها صخرة تزن كيلوغرامًا واحدًا إذا أسقطتها من ارتفاع 612 مترًا (متجاهلًا احتكاك الهواء).
بعض أشكال الطاقة الأخرى
الضوء الذي نراه هو ظاهرة كهرومغناطيسية لها طاقة بفضل اهتزازات حزم من الموجات تسمى الفوتونات. قرر الفيزيائي الألماني ماكس بلانك أن طاقة الفوتون تتناسب مع التردد (f) الذي به يهتز ، وحسب ثابت التناسب (h) ، والذي يسمى ثابت بلانك في قيمته شرف. وبالتالي ، فإن التعبير عن طاقة الفوتون هو:
E_p = hf
وفقًا لنظرية النسبية لألبرت أينشتاين ، فإن لكل جسيم من المادة طاقة كامنة متأصلة تتناسب مع كتلة الجسيم ومربع سرعة الضوء (ج). التعبير ذو الصلة هو:
E_m = mc ^ 2
تم دعم حسابات أينشتاين من خلال تطوير القنبلة الذرية.