Zawartość
Jednym z podstawowych praw wszechświata jest to, że energia nie jest ani tworzona, ani niszczona - zmienia jedynie formy. W związku z tym istnieje wiele wzorów na energię. Aby zrozumieć, w jaki sposób te formuły są wyrazem tego samego, ważne jest, aby najpierw zrozumieć, co fizycy mają na myśli, mówiąc o energii. Jest to pojęcie zakorzenione w pojęciach fizyki klasycznej wyjaśnionych przez Sir Isaaca Newtona.
Wzór na energię ruchu to KE = .5 × m × v2 gdzie KE to energia kinetyczna w dżulach, m to masa w kilogramach, a v to prędkość w metrach na sekundę.
Siła i praca
Newtona trzy prawa ruchu stanowią podstawę fizyki klasycznej. Pierwsze prawo definiuje siłę jako siłę wywołującą ruch, a drugie prawo wiąże siłę działającą na przedmiot z przyspieszeniem, któremu podlega. Jeśli siła (F) przyspiesza ciało na odległość (d), wykonuje pracę (W) równą sile pomnożonej przez odległość razy współczynnik uwzględniający kąt między nimi (θ, grecka litera theta ). Jako wyrażenie matematyczne oznacza to W = F × d × (cos (θ)). Metrycznymi jednostkami siły są niutony, te dla odległości to metry, a te do pracy to niutony lub dżule. Energia to zdolność do wykonywania pracy, która wyraża się także w dżulach.
Energia kinetyczna i potencjalna
Obiekt w ruchu posiada energię ruchu, która jest równoważna z pracą, która byłaby wymagana do spoczynku. Nazywa się to jego energią kinetyczną i zależy od kwadratu prędkości obiektów (v), a także od połowy jego masy (m). Matematycznie jest to wyrażone jako E (k) = (.5) × m × v2. Obiekt w spoczynku w ziemskim polu grawitacyjnym posiada energię potencjalną ze względu na swoją wysokość; gdyby spadał swobodnie, zyskałby energię kinetyczną równą tej energii potencjalnej. Energia potencjalna zależy od masy obiektów, ich wysokości (h) i przyspieszenia ziemskiego (g). Matematycznie jest to E (p) = m • h • g.
Energia elektryczna
Obliczanie energii w układach elektrycznych zależy od ilości prądu przepływającego przez przewodnik (I) w amperach, a także od potencjału elektrycznego lub napięcia (V) napędzającego prąd w woltach. Pomnożenie tych dwóch parametrów daje moc elektryczności (P) w watach, a pomnożenie P przez czas, w którym prąd przepływa (t) w sekundach, daje ilość energii elektrycznej w układzie, w dżulach. Wyrażenie matematyczne energii elektrycznej w obwodzie przewodzącym to E (e) = P × t = V × I × t. Zgodnie z tą relacją, pozostawienie 100-watowej żarówki na jedną minutę zużywa 6000 dżuli energii. Jest to równoważne ilości energii kinetycznej, jaką miałaby 1-kilogramowa skała, gdyby upuścić ją z wysokości 612 metrów (ignorując tarcie powietrzne).
Niektóre inne formy energii
Światło, które widzimy, jest zjawiskiem elektromagnetycznym, które ma energię dzięki drganiom pakietów fal zwanych fotonami. Niemiecki fizyk Max Planck ustalił, że energia fotonu jest proporcjonalna do częstotliwości (f), z którą wibruje, i obliczył stałą proporcjonalności (h), którą nazywa się stałą Plancka na jego cześć. Wyrażeniem energii fotonu jest zatem E (p) = h × f. Według teorii względności Alberta Einsteinsa każda cząstka materii ma wrodzoną energię potencjalną proporcjonalną do masy cząstek i kwadratu prędkości światła (c). Odpowiednim wyrażeniem jest E (m) = m × c2. Obliczenia Einsteina zostały potwierdzone przez rozwój bomby atomowej.