Uma das leis fundamentais do universo é que a energia não é criada nem destruída - ela apenas muda de forma. Consequentemente, existem muitas fórmulas para energia. Para entender como essas fórmulas são expressões da mesma coisa, é importante primeiro entender o que os físicos querem dizer quando falam sobre energia. É uma noção enraizada nos conceitos da física clássica elucidados por Sir Isaac Newton.
A fórmula para a energia do movimento é:
KE = 0,5 \ vezes m \ vezes v ^ 2
onde KE é a energia cinética em joules, m é a massa em quilogramas ev é a velocidade em metros por segundo.
Força e Trabalho
As três leis do movimento de Newton formam a base da física clássica. A primeira lei define força como aquela que causa movimento, e a segunda lei relaciona a força que atua sobre um objeto com a aceleração que ele sofre. Se uma força (F) acelera um corpo através de uma distância (d), ela faz uma quantidade de trabalho (W) igual à força multiplicado pela distância vezes um fator que explica o ângulo entre eles (θ, a letra grega theta). Como expressão matemática, isso significa:
W = Fd \ cos {\ theta}
As unidades métricas de força são newtons, as de distância são metros e as de trabalho são newtons-metros ou joules. Energia é a capacidade de fazer trabalho e também se expressa em joules.
Energia cinética e potencial
Um objeto em movimento possui sua energia de movimento, que é equivalente ao trabalho que seria necessário para colocá-lo em repouso. Isso é chamado de energia cinética e é dependente do quadrado da velocidade do objeto (v), bem como da metade de sua massa (m). Um objeto em repouso no campo gravitacional da Terra possui energia potencial em virtude de sua altitude; se caísse livremente, ganharia energia cinética igual a essa energia potencial. A energia potencial depende da massa do objeto, de sua altura (h) e da aceleração da gravidade (g). Matematicamente, é:
PE = mgh
Energia elétrica
O cálculo de energia em sistemas elétricos depende da quantidade de corrente que flui através de um condutor (I) em amperes, bem como no potencial elétrico, ou tensão (V), conduzindo a corrente, em volts. Multiplicando esses dois parâmetros dá a potência da eletricidade (P) em watts, e multiplicando P pelo tempo durante o qual a eletricidade flui (t) em segundos dá a quantidade de energia elétrica no sistema, em joules. A expressão matemática para energia elétrica em um circuito condutor é:
E_e = Pt = VIt
De acordo com essa relação, deixar uma lâmpada de 100 watts acesa por um minuto gasta 6.000 joules de energia. Isso é equivalente à quantidade de energia cinética que uma rocha de 1 kg teria se você a jogasse de uma altura de 612 metros (ignorando o atrito do ar).
Algumas outras formas de energia
A luz que vemos é um fenômeno eletromagnético que possui energia em virtude das vibrações de pacotes de ondas chamados fótons. O físico alemão Max Planck determinou que a energia de um fóton é proporcional à frequência (f) com a qual ele vibra, e ele calculou a constante de proporcionalidade (h), que é chamada de constante de Planck em seu honra. A expressão para a energia de um fóton é assim:
E_p = hf
De acordo com a Teoria da Relatividade de Albert Einstein, cada partícula de matéria possui energia potencial inerente proporcional à massa da partícula e ao quadrado da velocidade da luz (c). A expressão relevante é:
E_m = mc ^ 2
Os cálculos de Einstein foram corroborados pelo desenvolvimento da bomba atômica.