Inhoud
Een van de fundamentele wetten van het universum is dat energie niet wordt gecreëerd of vernietigd - het verandert alleen van vorm. Bijgevolg bestaan er veel formules voor energie. Om te begrijpen hoe deze formules uitdrukkingen van hetzelfde zijn, is het belangrijk om eerst te begrijpen wat natuurkundigen bedoelen wanneer ze over energie praten. Het is een begrip geworteld in de concepten van de klassieke fysica zoals opgehelderd door Sir Isaac Newton.
De formule voor de energie van beweging is KE = .5 × m × v2 waarbij KE kinetische energie in joules is, m massa in kilogram is en v snelheid in meters per seconde.
Forceer en werk
Newton drie bewegingswetten vormen de basis voor de klassieke fysica. De eerste wet definieert kracht als die welke beweging veroorzaakt, en de tweede wet relateert de kracht die op een object werkt aan de versnelling die het ondergaat. Als een kracht (F) een lichaam over een afstand (d) versnelt, doet het een hoeveelheid werk (W) gelijk aan de kracht vermenigvuldigd met de afstand maal een factor die de hoek daartussen verklaart (θ, de Griekse letter theta ). Als een wiskundige uitdrukking betekent dit W = F × d × (cos (θ)). De metrische eenheden voor kracht zijn newton, die voor afstand zijn meters en die voor werk zijn newton-meters, of joules. Energie is het vermogen om werk te doen, en het wordt ook uitgedrukt in joules.
Kinetische en potentiële energie
Een bewegend object bezit zijn bewegingsenergie, wat overeenkomt met het werk dat nodig zou zijn om het tot rust te brengen. Dit wordt zijn kinetische energie genoemd en het is afhankelijk van het kwadraat van de objecten snelheid (v) en de helft van zijn massa (m). Wiskundig wordt dit uitgedrukt als E (k) = (.5) × m × v2. Een object in rust in het zwaartekrachtveld van de aarde bezit potentiële energie op grond van zijn hoogte; als het vrij zou vallen, zou het kinetische energie krijgen die gelijk is aan deze potentiële energie. Potentiële energie is afhankelijk van de massa van het object, de hoogte (h) en de versnelling door zwaartekracht (g). Wiskundig is dit E (p) = m • h • g.
Elektrische energie
De berekening van energie in elektrische systemen hangt af van de hoeveelheid stroom die door een geleider (I) stroomt in ampères, evenals van de elektrische potentiaal of spanning (V), die de stroom aandrijft, in volt. Vermenigvuldiging van deze twee parameters geeft het vermogen van de elektriciteit (P) in watt, en vermenigvuldiging van P met de tijd gedurende welke de elektriciteit stroomt (t) in seconden geeft de hoeveelheid elektrische energie in het systeem, in joules. De wiskundige uitdrukking voor elektrische energie in een geleidingscircuit is E (e) = P × t = V × I × t. Volgens deze relatie kost een gloeilamp van 100 watt één minuut brandend 6.000 joule energie. Dit komt overeen met de hoeveelheid kinetische energie die een rots van 1 kilogram zou hebben als je het vanaf een hoogte van 612 meter zou laten vallen (luchtwrijving negerend).
Enkele andere vormen van energie
Het licht dat we zien is een elektromagnetisch fenomeen dat energie heeft dankzij de trillingen van golfpakketten die fotonen worden genoemd. De Duitse natuurkundige Max Planck bepaalde dat de energie van een foton evenredig is met de frequentie (f) waarmee het trilt, en hij berekende de evenredigheidsconstante (h), die ter ere van hem Plancks constant wordt genoemd. De uitdrukking voor de energie van een foton is dus E (p) = h × f. Volgens de relativiteitstheorie van Albert Einsteins heeft elk deeltje materie inherente potentiële energie evenredig met de deeltjesmassa en het kwadraat van de snelheid van het licht (c). De relevante uitdrukking is E (m) = m × c2. Einsteins-berekeningen werden bevestigd door de ontwikkeling van de atoombom.