Una delle leggi fondamentali dell'universo è che l'energia non è né creata né distrutta, ma modifica solo le forme. Di conseguenza, esistono molte formule per l'energia. Per capire come queste formule siano espressioni della stessa cosa, è importante capire innanzitutto cosa intendono i fisici quando parlano di energia. È una nozione radicata nei concetti di fisica classica come chiarita da Sir Isaac Newton.
La formula per l'energia del moto è KE = .5 × m × v 2 dove KE è energia cinetica in joule , m è massa in chilogrammi e v è velocità in metri al secondo. Forza e lavoro Le tre leggi del moto di Newton costituiscono la base per la fisica classica. La prima legge definisce la forza come quella che causa il movimento, e la seconda legge mette in relazione la forza che agisce su un oggetto per l'accelerazione che subisce. Se una forza (F) accelera un corpo attraverso una distanza (d), fa una quantità di lavoro (W) uguale alla forza moltiplicata per la distanza moltiplicata per un fattore che tiene conto dell'angolo tra loro (θ, la lettera greca theta ). Come espressione matematica, significa W = F × d × (cos (θ)). Le unità metriche per la forza sono newton, quelle per la distanza sono metri e quelle per il lavoro sono newtonmetri, o joule. L'energia è la capacità di fare lavoro, ed è anche espressa in joule. Energia cinetica e potenziale Un oggetto in movimento possiede la sua energia di movimento, che equivale al lavoro che essere richiesto di portarlo a riposo. Questa è chiamata energia cinetica e dipende dal quadrato della velocità dell'oggetto (v) e dalla metà della sua massa (m). Matematicamente, questo è espresso come E (k) = (.5) × m × v 2. Un oggetto a riposo nel campo gravitazionale terrestre possiede energia potenziale in virtù della sua altitudine; se dovesse cadere liberamente, guadagnerebbe energia cinetica pari a questa energia potenziale. L'energia potenziale dipende dalla massa dell'oggetto, dalla sua altezza (h) e dall'accelerazione dovuta alla gravità (g). Matematicamente, questo è E (p) = m • h • g. Energia elettrica Il calcolo dell'energia nei sistemi elettrici dipende dalla quantità di corrente che fluisce attraverso un conduttore (I) in ampere, nonché sul potenziale elettrico, o tensione (V), pilotando la corrente, in volt. Moltiplicando questi due parametri si ottiene la potenza dell'elettricità (P) in watt e si moltiplica P per il tempo durante il quale l'elettricità scorre (t) in secondi fornisce la quantità di energia elettrica nel sistema, in joule. L'espressione matematica per l'energia elettrica in un circuito conduttore è E (e) = P × t = V × I × t. Secondo questa relazione, lasciare una lampadina da 100 watt che brucia per un minuto impiega 6.000 joule di energia. Questo equivale alla quantità di energia cinetica che una roccia di 1 chilogrammo avrebbe se la lasciassi da un'altezza di 612 metri (ignorando l'attrito dell'aria). Altre forme di energia la luce che vediamo è un fenomeno elettromagnetico che ha energia in virtù delle vibrazioni dei pacchetti di onde chiamate fotoni. Il fisico tedesco Max Planck ha determinato che l'energia di un fotone è proporzionale alla frequenza (f) con la quale vibra e ha calcolato la costante di proporzionalità (h), che è chiamata costante di Planck in suo onore. L'espressione per l'energia di un fotone è quindi E (p) = h × f. Secondo la teoria della relatività di Albert Einstein, ogni particella della materia ha un'energia potenziale intrinseca proporzionale alla massa della particella e al quadrato della velocità della luce (c). L'espressione rilevante è E (m) = m × c 2. I calcoli di Einstein furono corroborati dallo sviluppo della bomba atomica.
