מהי הנוסחה לאנרגיה?

אחד החוקים הבסיסיים של היקום הוא שהאנרגיה לא נוצרת ולא נהרסת - היא רק משנה צורות. כתוצאה מכך, קיימות נוסחאות רבות לאנרגיה. כדי להבין כיצד הנוסחאות הללו הן ביטויים לאותו הדבר, חשוב להבין קודם למה הפיזיקאים מתכוונים כאשר הם מדברים על אנרגיה. זה רעיון המושרש במושגי הפיזיקה הקלאסית כפי שהובהר על ידי סר אייזק ניוטון.

הנוסחה לאנרגיית התנועה היא:

כאשר KE הוא אנרגיה קינטית בג'אול, m הוא מסה בקילוגרמים ו- v הוא מהירות במטר לשנייה.

שלושת חוקי התנועה של ניוטון מהווים את הבסיס לפיזיקה הקלאסית. החוק הראשון מגדיר כוח ככזה שגורם לתנועה, והחוק השני מתייחס לכוח הפועל על אובייקט לתאוצה שהוא עובר. אם כוח (F) מאיץ גוף דרך מרחק (d), הוא מבצע כמות עבודה (W) השווה לכוח כפול המרחק כפול גורם המסביר את הזווית ביניהם (θ, האות היוונית תטא). כביטוי מתמטי, פירוש הדבר:

היחידות המטריות לכוח הן ניוטון, אלה למרחק הם מטרים ואלה לעבודה הם ניוטון-מטר, או ג'אול. אנרגיה היא היכולת לעשות עבודה, והיא מתבטאת גם בג'אול.

אובייקט בתנועה הוא בעל אנרגיית התנועה שלו, שהיא שוות ערך לעבודה שתידרש כדי להביא למנוחות. זה נקרא האנרגיה הקינטית שלו, והיא תלויה בריבוע מהירות האובייקט (v) וכן במחצית המסה שלו (m). אובייקט במנוחה בשדה הכבידה של כדור הארץ מחזיק באנרגיה פוטנציאלית מכוח גובהו; אם זה היה נופל בחופשיות, הוא היה צובר אנרגיה קינטית השווה לאנרגיה פוטנציאלית זו. אנרגיה פוטנציאלית תלויה במסת האובייקט, גובהו (h) והתאוצה עקב כוח המשיכה (g). מתמטית, זה:

חישוב האנרגיה במערכות חשמל תלוי בכמות הזרם הזורם דרך a מוליך (I) באמפר, כמו גם על הפוטנציאל החשמלי, או מתח (V), המניע את הזרם, פנימה וולט. הכפלת שני הפרמטרים הללו נותנת את כוח החשמל (P) בוואט, והכפלת P לפי הזמן במהלכו החשמל זורם (t) בשניות נותן את כמות האנרגיה החשמלית במערכת, בתוך ג'אול. הביטוי המתמטי לאנרגיה חשמלית במעגל מוליך הוא:

על פי מערכת יחסים זו, השארת נורת 100 ואט בוערת למשך דקה מוציאה 6,000 ג'ול אנרגיה. זה שווה ערך לכמות האנרגיה הקינטית שיהיה לסלע של קילוגרם אחד אם תפיל אותו מגובה 612 מטר (תוך התעלמות מחיכוך אוויר).

האור שאנו רואים הוא תופעה אלקטרומגנטית שיש לה אנרגיה מכוח תנודות של חבילות גלים הנקראות פוטונים. הפיזיקאי הגרמני מקס פלאנק קבע כי האנרגיה של פוטון היא פרופורציונאלית לתדר (f) איתו זה רוטט, והוא חישב את קבוע המידתיות (h), הנקרא קבוע של פלאנק בשלו כָּבוֹד. הביטוי לאנרגיה של פוטון הוא כך:

על פי תורת היחסות של אלברט איינשטיין, לכל חלקיק של חומר יש אנרגיה פוטנציאלית הטבועה ביחס למסת החלקיק ולריבוע מהירות האור (ג). הביטוי הרלוונטי הוא:

חישוביו של איינשטיין אושרו על ידי התפתחות פצצת האטום.