Vad är formeln för energi?

En av universums grundläggande lagar är att energi varken skapas eller förstörs - den ändrar bara former. Följaktligen finns det många formler för energi. För att förstå hur dessa formler är uttryck för samma sak är det viktigt att först förstå vad fysiker menar när de pratar om energi. Det är ett begrepp som är rotat i begreppen klassisk fysik som belyst av Sir Isaac Newton.

Formeln för rörelseenergin är:

där KE är kinetisk energi i joule, m är massa i kilogram och v är hastighet i meter per sekund.

Newtons tre rörelselagar utgör grunden för klassisk fysik. Den första lagen definierar kraft som den som orsakar rörelse, och den andra lagen relaterar kraften som verkar på ett objekt till den acceleration den genomgår. Om en kraft (F) accelererar en kropp genom ett avstånd (d), gör den en mängd arbete (W) som är lika med kraften multiplicerat med avståndet gånger en faktor som tar hänsyn till vinkeln mellan dem (θ, den grekiska bokstaven theta). Som ett matematiskt uttryck betyder detta:

De metriska enheterna för kraft är newton, de för avstånd är meter och de för arbete är newton-meter, eller joule. Energi är förmågan att utföra arbete och det uttrycks också i joule.

Ett föremål i rörelse har sin rörelseenergi, vilket motsvarar det arbete som krävs för att få det att vila. Detta kallas dess kinetiska energi, och det beror på kvadraten av objektets hastighet (v) samt hälften av dess massa (m). Ett föremål i vila i jordens gravitationsfält har potentiell energi på grund av dess höjd; om det skulle falla fritt skulle det få kinetisk energi lika med denna potentiella energi. Potentiell energi är beroende av objektets massa, dess höjd (h) och accelerationen på grund av tyngdkraften (g). Matematiskt är detta:

Beräkningen av energi i elektriska system beror på mängden ström som strömmar genom a ledare (I) i ampere, liksom på den elektriska potentialen, eller spänning (V), som driver strömmen, in volt. Att multiplicera dessa två parametrar ger elen (P) i watt och multiplicerar P med tiden under vilken elen flyter (t) i sekunder ger mängden elektrisk energi i systemet, in joules. Det matematiska uttrycket för elektrisk energi i en ledande krets är:

Enligt detta förhållande förbrukar 6000 joule energi att lämna en 100 watts glödlampa som brinner i en minut. Detta motsvarar mängden kinetisk energi som ett berg på 1 kg skulle ha om du tappade den från en höjd av 612 meter (ignorerar luftfriktion).

Ljuset vi ser är ett elektromagnetiskt fenomen som har energi på grund av vibrationerna av paket med vågor som kallas fotoner. Den tyska fysikern Max Planck bestämde att energin i en foton är proportionell med frekvensen (f) med vilken det vibrerar, och han beräknade proportionalitetskonstanten (h), som kallas Plancks konstant i sin ära. Uttrycket för fotonens energi är således:

Enligt Albert Einsteins relativitetsteori har varje materialpartikel inneboende potentiell energi som är proportionell mot partikelns massa och kvadratet för ljusets hastighet (c). Det relevanta uttrycket är:

Einsteins beräkningar bekräftades av utvecklingen av atombomben.