L'une des lois fondamentales de l'univers est que l'énergie n'est ni créée ni détruite - elle ne fait que changer de forme. Par conséquent, de nombreuses formules pour l'énergie existent. Afin de comprendre comment ces formules sont des expressions de la même chose, il est important de comprendre d'abord ce que les physiciens veulent dire lorsqu'ils parlent d'énergie. C'est une notion enracinée dans les concepts de la physique classique tels qu'élucidés par Sir Isaac Newton.
La formule de l'énergie du mouvement est :
KE=0,5\fois m\fois v^2
où KE est l'énergie cinétique en joules, m est la masse en kilogrammes et v est la vitesse en mètres par seconde.
Force et travail
Les trois lois du mouvement de Newton forment la base de la physique classique. La première loi définit la force comme ce qui provoque le mouvement, et la seconde loi relie la force agissant sur un objet à l'accélération qu'il subit. Si une force (F) accélère un corps sur une distance (d), il effectue un travail (W) égal à la force multiplié par la distance multipliée par un facteur qui explique l'angle entre eux (θ, la lettre grecque thêta). En tant qu'expression mathématique, cela signifie :
W=Fd\cos{\theta}
Les unités métriques de la force sont les newtons, celles de la distance sont les mètres et celles du travail sont les newton-mètres, ou joules. L'énergie est la capacité de faire un travail, et elle s'exprime également en joules.
Énergie cinétique et potentielle
Un objet en mouvement possède son énergie de mouvement, qui équivaut au travail qu'il faudrait pour l'arrêter. C'est ce qu'on appelle son énergie cinétique, et elle dépend du carré de la vitesse de l'objet (v) ainsi que de la moitié de sa masse (m). Un objet au repos dans le champ gravitationnel de la Terre possède de l'énergie potentielle en raison de son altitude; s'il tombait librement, il gagnerait une énergie cinétique égale à cette énergie potentielle. L'énergie potentielle dépend de la masse de l'objet, de sa hauteur (h) et de l'accélération due à la gravité (g). Mathématiquement, c'est :
PE=mgh
Énergie électrique
Le calcul de l'énergie dans les systèmes électriques dépend de la quantité de courant circulant dans un conducteur (I) en ampères, ainsi que sur le potentiel électrique, ou la tension (V), entraînant le courant, en volts. En multipliant ces deux paramètres, on obtient la puissance de l'électricité (P) en watts, et en multipliant P par le temps pendant laquelle l'électricité circule (t) en secondes donne la quantité d'énergie électrique dans le système, en joules. L'expression mathématique de l'énergie électrique dans un circuit conducteur est :
E_e=Pt=VIt
Selon cette relation, laisser une ampoule de 100 watts allumée pendant une minute dépense 6 000 joules d'énergie. Cela équivaut à la quantité d'énergie cinétique qu'aurait une roche de 1 kilogramme si vous la laissiez tomber d'une hauteur de 612 mètres (en ignorant la friction de l'air).
Quelques autres formes d'énergie
La lumière que nous voyons est un phénomène électromagnétique qui possède de l'énergie grâce aux vibrations de paquets d'ondes appelés photons. Le physicien allemand Max Planck a déterminé que l'énergie d'un photon est proportionnelle à la fréquence (f) avec laquelle il vibre, et il a calculé la constante de proportionnalité (h), qui est appelée constante de Planck dans son honneur. L'expression de l'énergie d'un photon est donc :
E_p=hf
Selon la théorie de la relativité d'Albert Einstein, chaque particule de matière a une énergie potentielle inhérente proportionnelle à la masse de la particule et au carré de la vitesse de la lumière (c). L'expression pertinente est :
E_m=mc^2
Les calculs d'Einstein ont été corroborés par le développement de la bombe atomique.