Una dintre legile fundamentale ale universului este că energia nu este nici creată, nici distrusă - schimbă doar formele. În consecință, există multe formule pentru energie. Pentru a înțelege cum aceste formule sunt expresii ale aceluiași lucru, este important să înțelegem mai întâi ce înseamnă fizicienii atunci când vorbesc despre energie. Este o noțiune înrădăcinată în conceptele de fizică clasică, elucidate de Sir Isaac Newton.
Formula pentru energia mișcării este:
KE = 0,5 \ ori m \ ori v ^ 2
unde KE este energia cinetică în jouli, m este masa în kilograme și v este viteza în metri pe secundă.
Forța și munca
Cele trei legi ale mișcării lui Newton formează baza fizicii clasice. Prima lege definește forța ca fiind cea care provoacă mișcare, iar a doua lege raportează forța care acționează asupra unui obiect la accelerația pe care o suferă. Dacă o forță (F) accelerează un corp printr-o distanță (d), face o cantitate de muncă (W) egală cu forța înmulțit cu distanța ori un factor care ia în considerare unghiul dintre ele (θ, litera greacă theta). Ca expresie matematică, aceasta înseamnă:
W = Fd \ cos {\ theta}
Unitățile metrice pentru forță sunt newtoni, cele pentru distanță sunt metri, iar cele pentru lucru sunt newton-metri sau jouli. Energia este capacitatea de a lucra și este exprimată și în jouli.
Energia cinetică și potențială
Un obiect în mișcare posedă energia sa de mișcare, care este echivalentă cu munca care ar fi necesară pentru a-l odihni. Aceasta se numește energia cinetică și este dependentă de pătratul vitezei obiectului (v), precum și de jumătate din masa sa (m). Un obiect aflat în repaus în câmpul gravitațional al Pământului posedă energie potențială în virtutea altitudinii sale; dacă ar cădea liber, ar câștiga energie cinetică egală cu această energie potențială. Energia potențială depinde de masa obiectului, de înălțimea acestuia (h) și de accelerația datorată gravitației (g). Din punct de vedere matematic, acesta este:
PE = mgh
Energie electrica
Calculul energiei în sistemele electrice depinde de cantitatea de curent care circulă printr-o conductor (I) în amperi, precum și pe potențialul electric sau tensiunea (V), care conduce curentul, în volți. Înmulțirea acestor doi parametri dă puterea electricității (P) în wați și înmulțirea lui P cu timpul în care curentul electric (t) în secunde dă cantitatea de energie electrică din sistem, în jouli. Expresia matematică a energiei electrice într-un circuit conductor este:
E_e = Pt = VIt
Potrivit acestei relații, lăsarea unei becuri de 100 de wați arzând timp de un minut cheltuie 6.000 de juli de energie. Acest lucru este echivalent cu cantitatea de energie cinetică pe care o ar avea o rocă de 1 kilogram dacă ați scăpa-o de la o înălțime de 612 metri (ignorând fricțiunea aerului).
Câteva alte forme de energie
Lumina pe care o vedem este un fenomen electromagnetic care are energie în virtutea vibrațiilor pachetelor de unde numite fotoni. Fizicianul german Max Planck a stabilit că energia unui foton este proporțională cu frecvența (f) cu care vibrează și el a calculat constanta proporționalității (h), care se numește constanta lui Planck în a lui onora. Expresia energiei unui foton este astfel:
E_p = hf
Conform teoriei relativității a lui Albert Einstein, fiecare particulă de materie are energie potențială inerentă proporțională cu masa particulei și pătratul vitezei luminii (c). Expresia relevantă este:
E_m = mc ^ 2
Calculele lui Einstein au fost coroborate de dezvoltarea bombei atomice.