Одним із основних законів Всесвіту є те, що енергія не створюється і не руйнується - вона лише змінює форми. Отже, існує багато формул енергії. Для того, щоб зрозуміти, як ці формули є вираженням одного і того ж, важливо спочатку зрозуміти, що мають на увазі фізики, говорячи про енергію. Це поняття вкорінене в концепціях класичної фізики, висвітлених сером Ісааком Ньютоном.
Формула енергії руху така:
KE = 0,5 \ раз m \ раз v ^ 2
де KE - кінетична енергія в джоулях, m - маса в кілограмах, v - швидкість у метрах за секунду.
Сила і робота
Три закони руху Ньютона складають основу класичної фізики. Перший закон визначає силу як ту, що викликає рух, а другий закон пов'язує силу, що діє на об'єкт, з прискоренням, яке воно зазнає. Якщо сила (F) прискорює тіло через відстань (d), вона виконує обсяг роботи (W), рівний силі помножений на відстань, помножений на коефіцієнт, що враховує кут між ними (θ, грецька буква тета). Як математичний вираз це означає:
W = Fd \ cos {\ theta}
Метричні одиниці вимірювання сили - ньютони, одиниці відстані - метри, а одиниці вимірювання сили - ньютони, або джоулі. Енергія - це здатність виконувати роботу, і вона також виражається в джоулях.
Кінетична та потенційна енергія
Об’єкт, що рухається, володіє енергією руху, що еквівалентно роботі, яка потрібна для його спокою. Це називається його кінетичною енергією, і це залежить від квадрата швидкості руху об’єкта (v), а також від половини його маси (м). Об'єкт у спокої в гравітаційному полі Землі володіє потенційною енергією завдяки своїй висоті; якби він вільно падав, він отримав би кінетичну енергію, рівну цій потенційній енергії. Потенційна енергія залежить від маси об'єкта, його висоти (год) та прискорення, обумовленого гравітацією (г). Математично це:
PE = mgh
Електрична енергія
Розрахунок енергії в електричних системах залежить від величини струму, що протікає через a провідник (I) в амперах, а також на електричний потенціал або напругу (V), що рухає струмом, в вольт. Помноження цих двох параметрів дає потужність електрики (Р) у ватах, а множення Р на час під час якого електроенергія тече (t) за секунди дає кількість електричної енергії в системі, в джоулів. Математичний вираз для електричної енергії в провідному ланцюзі:
E_e = Pt = VIt
Відповідно до цього співвідношення, залишення 100-ватної лампочки, що горить протягом однієї хвилини, витрачає 6000 джоулів енергії. Це еквівалентно кількості кінетичної енергії, яку мав би 1-кілограмовий камінь, якби ви скинули його з висоти 612 метрів (не враховуючи тертя повітря).
Деякі інші форми енергії
Світло, яке ми бачимо, - це електромагнітне явище, яке має енергію завдяки вібраціям пакетів хвиль, які називаються фотонами. Німецький фізик Макс Планк визначив, що енергія фотона пропорційна частоті (f), з якою воно вібрує, і він розрахував константу пропорційності (h), яку називають константою Планка в його честь. Вираз для енергії фотона таким чином:
E_p = hf
Згідно з Теорією відносності Альберта Ейнштейна, кожній частинці речовини властива потенційна енергія, пропорційна масі частинки та квадрату швидкості світла (с). Відповідний вираз:
E_m = mc ^ 2
Розрахунки Ейнштейна були підтверджені розробкою атомної бомби.