Innehåll
En av universums grundläggande lagar är att energi varken skapas eller förstörs - det 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 en uppfattning som är förankrad i begreppen klassisk fysik som belyses av Sir Isaac Newton.
Formeln för rörelseenergin är KE = .5 × m × v2 där KE är kinetisk energi i joule, är m massa i kilogram och v är hastighet i meter per sekund.
Kraft och arbete
Newtons tre rörelseregler 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 föremål till den acceleration den genomgår. Om en kraft (F) påskyndar en kropp genom ett avstånd (d) gör den en mängd arbete (W) lika med kraften multiplicerad med avståndet gånger en faktor som står för vinkeln mellan dem (θ, den grekiska bokstaven theta ). Som ett matematiskt uttryck betyder detta W = F × d × (cos (θ)). Metriska enheter för kraft är newton, de för avstånd är meter och de för arbete är Newton-meter eller joules. Energi är kapaciteten för att utföra arbete, och den uttrycks också i joule.
Kinetisk och potentiell energi
Ett objekt i rörelse har sin rörelseenergi, vilket motsvarar det arbete som skulle krävas för att få det till vila. Detta kallas dess kinetiska energi, och det är beroende av kvadratet för objekthastigheten (v) såväl som hälften av dess massa (m). Matematiskt uttrycks detta som E (k) = (.5) × m × v2. Ett objekt i vila i jordens gravitationsfält har potentiell energi på grund av dess höjd; om den skulle falla fritt, skulle den få kinetisk energi lika med denna potentiella energi. Potentialenergi är beroende av föremålens massa, dess höjd (h) och accelerationen på grund av tyngdkraften (g). Matematiskt är detta E (p) = m • h • g.
Elektrisk energi
Beräkningen av energi i elektriska system beror på mängden ström som strömmar genom en ledare (I) i ampere, liksom på den elektriska potentialen, eller spänningen (V), som driver strömmen, i volt. Att multiplicera dessa två parametrar ger kraften hos elen (P) i watt, och multiplicerar P med den tid under vilken elströmmen (t) i sekunder ger mängden elektrisk energi i systemet, i joule. Det matematiska uttrycket för elektrisk energi i en ledningskrets är E (e) = P × t = V × I × t. Enligt detta förhållande, att lämna en 100-watts glödlampa brinnande i en minut, expanderar 6 000 joule energi. Detta motsvarar mängden kinetisk energi som ett berg på 1 kilo skulle ha om du tappade den från en höjd av 612 meter (ignorerar luftfriktion).
Några andra former av energi
Ljuset vi ser är ett elektromagnetiskt fenomen som har energi i kraft av vibrationerna i paket med vågor som kallas fotoner. Den tyska fysikern Max Planck bestämde att en fotons energi är proportionell den frekvens (f) som den vibrerar med, och han beräknade proportionalitetskonstanten (h), som kallas Plancks konstant för hans ära. Uttrycket för en fotons energi är således E (p) = h × f. Enligt Albert Einsteins relativitetsteori har varje materialpartikel inneboende potentiell energi som är proportionell mot partiklarnas massa och kvadratet för ljusets hastighet (c). Det relevanta uttrycket är E (m) = m × c2. Einsteinsberäkningar bekräftades av utvecklingen av atombomben.