Una de las leyes fundamentales del universo es que la energía no se crea ni se destruye, solo cambia de forma. En consecuencia, existen muchas fórmulas para la energía. Para comprender cómo estas fórmulas son expresiones de lo mismo, es importante comprender primero qué quieren decir los físicos cuando hablan de energía. Es una noción arraigada en los conceptos de la física clásica tal como los aclara Sir Isaac Newton.
La fórmula de la energía del movimiento es:
KE = 0.5 \ times m \ times v ^ 2
donde KE es la energía cinética en julios, m es la masa en kilogramos y v es la velocidad en metros por segundo.
Fuerza y Trabajo
Las tres leyes del movimiento de Newton forman la base de la física clásica. La primera ley define la fuerza como aquello que causa el movimiento, y la segunda ley relaciona la fuerza que actúa sobre un objeto con la aceleración que experimenta. Si una fuerza (F) acelera un cuerpo a través de una distancia (d), realiza una cantidad de trabajo (W) igual a la fuerza multiplicado por la distancia por un factor que da cuenta del ángulo entre ellos (θ, la letra griega theta). Como expresión matemática, esto significa:
W = Fd \ cos {\ theta}
Las unidades métricas de fuerza son newtons, las de distancia son metros y las de trabajo son newton-metros o julios. La energía es la capacidad de realizar un trabajo y también se expresa en julios.
Energía cinética y potencial
Un objeto en movimiento posee su energía de movimiento, que equivale al trabajo que se requeriría para que se detenga. Esto se llama energía cinética y depende del cuadrado de la velocidad del objeto (v), así como de la mitad de su masa (m). Un objeto en reposo en el campo gravitacional de la Tierra posee energía potencial en virtud de su altitud; si cayera libremente, ganaría energía cinética igual a esta energía potencial. La energía potencial depende de la masa del objeto, su altura (h) y la aceleración debida a la gravedad (g). Matemáticamente, esto es:
PE = mgh
Energía eléctrica
El cálculo de la energía en los sistemas eléctricos depende de la cantidad de corriente que fluye a través de un conductor (I) en amperios, así como en el potencial eléctrico, o voltaje (V), que impulsa la corriente, en voltios. Multiplicar estos dos parámetros da la potencia de la electricidad (P) en vatios y multiplicar P por el tiempo durante el cual la electricidad fluye (t) en segundos da la cantidad de energía eléctrica en el sistema, en julios. La expresión matemática de la energía eléctrica en un circuito conductor es:
E_e = Pt = VIt
Según esta relación, dejar una bombilla de 100 vatios encendida durante un minuto gasta 6.000 julios de energía. Esto es equivalente a la cantidad de energía cinética que tendría una roca de 1 kilogramo si la dejara caer desde una altura de 612 metros (ignorando la fricción del aire).
Algunas otras formas de energía
La luz que vemos es un fenómeno electromagnético que tiene energía en virtud de las vibraciones de paquetes de ondas llamados fotones. El físico alemán Max Planck determinó que la energía de un fotón es proporcional a la frecuencia (f) con la que vibra, y calculó la constante de proporcionalidad (h), que se llama constante de Planck en su honor. La expresión de la energía de un fotón es así:
E_p = hf
Según la teoría de la relatividad de Albert Einstein, cada partícula de materia tiene una energía potencial inherente proporcional a la masa de la partícula y al cuadrado de la velocidad de la luz (c). La expresión relevante es:
E_m = mc ^ 2
Los cálculos de Einstein fueron corroborados por el desarrollo de la bomba atómica.