Один из фундаментальных законов Вселенной заключается в том, что энергия не создается и не уничтожается - она только меняет формы. Следовательно, существует множество формул для энергии. Чтобы понять, как эти формулы выражают одно и то же, важно сначала понять, что имеют в виду физики, когда говорят об энергии. Это понятие основано на концепциях классической физики, разъясненных сэром Исааком Ньютоном.
Формула энергии движения:
KE = 0,5 \ умножить на \ умножить на v ^ 2
где KE - кинетическая энергия в джоулях, m - масса в килограммах, а v - скорость в метрах в секунду.
Сила и работа
Три закона движения Ньютона составляют основу классической физики. Первый закон определяет силу как то, что вызывает движение, а второй закон связывает силу, действующую на объект, с ускорением, которому он подвергается. Если сила (F) ускоряет тело на расстояние (d), оно совершает работу (W), равную силе умноженное на расстояние, умноженное на коэффициент, учитывающий угол между ними (θ, греческая буква тета). В математическом выражении это означает:
W = Fd \ cos {\ theta}
Метрические единицы измерения силы - ньютоны, расстояния - метры, а единицы измерения - ньютон-метры или джоули. Энергия - это способность выполнять работу, и она также выражается в джоулях.
Кинетическая и потенциальная энергия
Движущийся объект обладает энергией движения, которая эквивалентна работе, которая потребовалась бы для его остановки. Это называется его кинетической энергией и зависит от квадрата скорости объекта (v), а также половины его массы (m). Объект, покоящийся в гравитационном поле Земли, обладает потенциальной энергией в силу своей высоты; если бы он упал свободно, он получил бы кинетическую энергию, равную этой потенциальной энергии. Потенциальная энергия зависит от массы объекта, его высоты (h) и ускорения свободного падения (g). Математически это:
PE = mgh
Электроэнергия
Расчет энергии в электрических системах зависит от количества тока, протекающего через проводник (I) в амперах, а также электрический потенциал или напряжение (В), управляющее током, в вольт. Умножение этих двух параметров дает мощность электричества (P) в ваттах, а умножение P на время в течение которого протекает электричество (t) в секундах, что дает количество электроэнергии в системе, в джоули. Математическое выражение для электрической энергии в проводящей цепи:
E_e = Pt = VIt
Согласно этому соотношению, если оставить 100-ваттную лампочку горящей в течение одной минуты, расходуется 6000 джоулей энергии. Это эквивалентно количеству кинетической энергии, которую имел бы 1-килограммовый камень, если бы вы уронили его с высоты 612 метров (без учета трения воздуха).
Некоторые другие формы энергии
Свет, который мы видим, - это электромагнитное явление, обладающее энергией за счет колебаний пакетов волн, называемых фотонами. Немецкий физик Макс Планк определил, что энергия фотона пропорциональна частоте (f), с которой он колеблется, и он вычислил коэффициент пропорциональности (h), который в его честь. Выражение для энергии фотона таково:
E_p = hf
Согласно теории относительности Альберта Эйнштейна, каждой частице материи присуща потенциальная энергия, пропорциональная массе частицы и квадрату скорости света (c). Соответствующее выражение:
E_m = mc ^ 2
Расчеты Эйнштейна были подтверждены разработкой атомной бомбы.