Τι είναι η Φόρμουλα για την Ενέργεια;

Ένας από τους θεμελιώδεις νόμους του σύμπαντος είναι ότι η ενέργεια ούτε δημιουργείται ούτε καταστρέφεται -- αλλάζει μόνο μορφές. Κατά συνέπεια, υπάρχουν πολλοί τύποι για την ενέργεια. Για να κατανοήσουμε πώς αυτοί οι τύποι είναι εκφράσεις του ίδιου πράγματος, είναι σημαντικό να καταλάβουμε πρώτα τι εννοούν οι φυσικοί όταν μιλούν για ενέργεια. Είναι μια ιδέα που έχει τις ρίζες της στις έννοιες της κλασικής φυσικής όπως διευκρινίστηκε από τον Sir Isaac Newton.

Ο τύπος για την ενέργεια της κίνησης είναι:

KE=0,5\ φορές m\ φορές v^2

όπου το KE είναι η κινητική ενέργεια σε τζάουλ, το m είναι η μάζα σε χιλιόγραμμα και το v είναι η ταχύτητα σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο.

Δύναμη και εργασία

Οι τρεις νόμοι της κίνησης του Νεύτωνα αποτελούν τη βάση για την κλασική φυσική. Ο πρώτος νόμος ορίζει τη δύναμη ως αυτή που προκαλεί κίνηση και ο δεύτερος νόμος συσχετίζει τη δύναμη που ασκεί ένα αντικείμενο με την επιτάχυνση που υφίσταται. Εάν μια δύναμη (F) επιταχύνει ένα σώμα μέσω μιας απόστασης (d), εκτελεί μια ποσότητα εργασίας (W) ίση με τη δύναμη πολλαπλασιασμένη επί την απόσταση επί έναν παράγοντα που αντιστοιχεί στη γωνία μεταξύ τους (θ, το ελληνικό γράμμα θήτα ). Ως μαθηματική έκφραση, αυτό σημαίνει:

W=Fd\cos{\theta}

Οι μετρικές μονάδες για τη δύναμη είναι τα newton, εκείνες για την απόσταση είναι μέτρα και εκείνες για την εργασία είναι newton-μέτρα ή τζάουλ. Η ενέργεια είναι η ικανότητα εκτέλεσης εργασίας και εκφράζεται επίσης σε joules.

Κινητική και δυναμική ενέργεια

Ένα αντικείμενο σε κίνηση έχει την ενέργεια κίνησης του, η οποία είναι ισοδύναμη με το έργο που θα απαιτηθεί για να το φέρει σε ηρεμία. Αυτό ονομάζεται κινητική του ενέργεια και εξαρτάται από το τετράγωνο της ταχύτητας του αντικειμένου (v) καθώς και από το μισό της μάζας του (m). Ένα αντικείμενο σε ηρεμία στο βαρυτικό πεδίο της Γης έχει δυναμική ενέργεια λόγω του υψόμετρου του. αν έπεφτε ελεύθερα, θα αποκτούσε κινητική ενέργεια ίση με αυτή τη δυναμική ενέργεια. Η δυναμική ενέργεια εξαρτάται από τη μάζα του αντικειμένου, το ύψος του (h) και την επιτάχυνση της βαρύτητας (g). Μαθηματικά, αυτό είναι:

PE=mgh

Ηλεκτρική ενέργεια

Ο υπολογισμός της ενέργειας στα ηλεκτρικά συστήματα εξαρτάται από την ποσότητα του ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό (I) σε αμπέρ, καθώς και από το ηλεκτρικό δυναμικό ή την τάση (V), που οδηγεί το ρεύμα, σε βολτ. Πολλαπλασιάζοντας αυτές τις δύο παραμέτρους δίνεται η ισχύς του ηλεκτρισμού (P) σε watt, και πολλαπλασιάζοντας το P με το χρόνο κατά τον οποίο ρέει η ηλεκτρική ενέργεια (t) σε δευτερόλεπτα δίνει την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας στο σύστημα, σε joules. Η μαθηματική έκφραση για την ηλεκτρική ενέργεια σε ένα αγώγιμο κύκλωμα είναι :

E_e=Pt=VIt

Σύμφωνα με αυτή τη σχέση, αφήνοντας μια λάμπα 100 watt να καίει για ένα λεπτό ξοδεύονται 6.000 τζάουλ ενέργειας. Αυτό ισοδυναμεί με την ποσότητα κινητικής ενέργειας που θα είχε ένας βράχος 1 κιλού αν τον ρίξετε από ύψος 612 μέτρων (αγνοώντας την τριβή του αέρα).

Κάποιες άλλες μορφές ενέργειας

Το φως που βλέπουμε είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο που έχει ενέργεια λόγω των δονήσεων πακέτων κυμάτων που ονομάζονται φωτόνια. Ο Γερμανός φυσικός Max Planck προσδιόρισε ότι η ενέργεια ενός φωτονίου είναι ανάλογη της συχνότητας (f) με την οποία δονείται και υπολόγισε τη σταθερά της αναλογικότητας (h), η οποία ονομάζεται σταθερά του Planck προς τιμήν του. Η έκφραση για την ενέργεια ενός φωτονίου είναι έτσι:

E_p=hf

Σύμφωνα με τη Θεωρία της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, κάθε σωματίδιο της ύλης έχει εγγενή δυναμική ενέργεια ανάλογη με τη μάζα του σωματιδίου και το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός (c). Η σχετική έκφραση είναι:

E_m=mc^2

Οι υπολογισμοί του Αϊνστάιν επιβεβαιώθηκαν από την ανάπτυξη της ατομικής βόμβας.