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Eines der Grundgesetze des Universums ist, dass Energie weder erzeugt noch zerstört wird - sie verändert nur die Form. Folglich existieren viele Formeln für Energie. Um zu verstehen, wie diese Formeln Ausdrücke derselben Sache sind, ist es wichtig, zuerst zu verstehen, was Physiker meinen, wenn sie über Energie sprechen. Es ist ein Begriff, der in den Konzepten der klassischen Physik verwurzelt ist, wie sie von Sir Isaac Newton erläutert wurden.
Die Formel für die Bewegungsenergie lautet KE = .5 × m × v2 Dabei ist KE die kinetische Energie in Joule, m die Masse in Kilogramm und v die Geschwindigkeit in Metern pro Sekunde.
Kraft und Arbeit
Newtons drei Bewegungsgesetze bilden die Grundlage für die klassische Physik. Das erste Gesetz definiert Kraft als das, was Bewegung verursacht, und das zweite Gesetz bezieht die Kraft, die auf ein Objekt wirkt, auf die Beschleunigung, die es erfährt. Wenn eine Kraft (F) einen Körper über eine Strecke (d) beschleunigt, leistet sie eine Arbeit (W), die der Kraft multipliziert mit der Strecke multipliziert mit einem Faktor entspricht, der den Winkel zwischen ihnen ausmacht (θ, der griechische Buchstabe Theta) ). Als mathematischer Ausdruck bedeutet dies W = F × d × (cos (θ)). Die Maßeinheiten für die Kraft sind Newton, die für die Entfernung sind Meter und die für die Arbeit sind Newtonmeter oder Joule. Energie ist die Arbeitsfähigkeit und wird auch in Joule ausgedrückt.
Kinetische und potentielle Energie
Ein in Bewegung befindliches Objekt besitzt seine Bewegungsenergie, die der Arbeit entspricht, die erforderlich wäre, um es zur Ruhe zu bringen. Dies wird als kinetische Energie bezeichnet und ist abhängig vom Quadrat der Geschwindigkeit (v) des Objekts sowie von der Hälfte seiner Masse (m). Mathematisch ausgedrückt ist dies E (k) = (.5) × m × v2. Ein im Gravitationsfeld der Erde ruhendes Objekt besitzt aufgrund seiner Höhe potentielle Energie; Wenn es frei fallen würde, würde es kinetische Energie gewinnen, die dieser potentiellen Energie entspricht. Die potentielle Energie ist abhängig von der Masse des Objekts, seiner Höhe (h) und der Erdbeschleunigung (g). Mathematisch ist dies E (p) = m · h · g.
Elektrische Energie
Die Berechnung der Energie in elektrischen Systemen hängt von der durch einen Leiter (I) fließenden Strommenge in Ampere sowie von dem elektrischen Potential oder der Spannung (V) ab, die den Strom in Volt treibt. Die Multiplikation dieser beiden Parameter ergibt die Leistung der Elektrizität (P) in Watt und die Multiplikation von P mit der Zeit, in der die Elektrizität fließt (t) in Sekunden ergibt die Menge der elektrischen Energie im System in Joule. Der mathematische Ausdruck für elektrische Energie in einem leitenden Stromkreis ist E (e) = P × t = V × I × t. Entsprechend dieser Beziehung verbraucht das Brennen einer 100-Watt-Glühbirne für eine Minute 6.000 Joule Energie. Dies entspricht der Menge an kinetischer Energie, die ein 1-Kilogramm-Gestein haben würde, wenn Sie es aus einer Höhe von 612 Metern fallen lassen würden (ohne Berücksichtigung der Luftreibung).
Einige andere Energieformen
Das Licht, das wir sehen, ist ein elektromagnetisches Phänomen, das aufgrund der Schwingungen von Wellenpaketen, die Photonen genannt werden, Energie hat. Der deutsche Physiker Max Planck bestimmte, dass die Energie eines Photons proportional zu der Frequenz (f) ist, mit der es vibriert, und er berechnete die Proportionalitätskonstante (h), die ihm zu Ehren Plancks-Konstante genannt wird. Der Ausdruck für die Energie eines Photons ist also E (p) = h × f. Nach Albert Einsteins Relativitätstheorie besitzt jedes Materieteilchen eine potentielle Energie, die proportional zur Teilchenmasse und zum Quadrat der Lichtgeschwindigkeit ist (c). Der relevante Ausdruck ist E (m) = m × c2. Einsteins Berechnungen wurden durch die Entwicklung der Atombombe bestätigt.