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L'une des lois fondamentales de l'univers est que l'énergie n'est ni créée ni détruite - elle ne fait que changer de forme. Par conséquent, de nombreuses formules d'énergie existent. Afin de comprendre en quoi ces formules sont des expressions de la même chose, il est important d’abord de comprendre ce que les physiciens veulent dire quand ils parlent d’énergie. C’est une notion enracinée dans les concepts de la physique classique tels que définis par Sir Isaac Newton.
La formule pour l'énergie du mouvement est KE = .5 × m × v2 où KE est l'énergie cinétique en joules, m est la masse en kilogrammes et v est la vitesse en mètres par seconde.
Force et travail
Trois lois du mouvement de Newton constituent la base de la physique classique. La première loi définit la force comme ce qui provoque le mouvement, et la deuxième loi relie la force agissant sur un objet à l'accélération qu'elle subit. Si une force (F) accélère un corps sur une distance (d), elle effectue une quantité de travail (W) égale à la force multipliée par la distance multipliée par un facteur tenant compte de l'angle entre eux (θ, la lettre grecque theta ). En tant qu’expression mathématique, cela signifie W = F × d × (cos (θ)). Les unités métriques pour la force sont les newtons, celles pour la distance sont les mètres et celles pour le travail sont les newton-mètres ou joules. L'énergie est la capacité de travail et elle est également exprimée en joules.
Energie cinétique et potentielle
Un objet en mouvement possède son énergie de mouvement, ce qui équivaut au travail qui serait nécessaire pour le ramener au repos. C'est ce qu'on appelle son énergie cinétique. Elle dépend du carré de la vitesse de l'objet (v) et de la moitié de sa masse (m). Mathématiquement, cela est exprimé par E (k) = (.5) × m × v2. Un objet au repos dans le champ gravitationnel de la Terre possède une énergie potentielle en raison de son altitude; s'il tombait librement, il gagnerait une énergie cinétique égale à cette énergie potentielle. L'énergie potentielle dépend de la masse de l'objet, de sa hauteur (h) et de l'accélération de la gravité (g). Mathématiquement, c'est E (p) = m • h • g.
Énergie électrique
Le calcul de l'énergie dans les systèmes électriques dépend de la quantité de courant circulant dans un conducteur (I) en ampères, ainsi que du potentiel électrique, ou tension (V), entraînant le courant, en volts. La multiplication de ces deux paramètres donne la puissance de l'électricité (P) en watts et la multiplication de P par le temps pendant lequel l'électricité circule (t) en secondes donne la quantité d'énergie électrique dans le système, en joules. L’expression mathématique de l’énergie électrique dans un circuit conducteur est E (e) = P × t = V × I × t. Selon cette relation, laisser une ampoule de 100 watts allumée pendant une minute coûte 6 000 joules d'énergie. Cela équivaut à la quantité d'énergie cinétique qu'une roche de 1 kilogramme aurait si vous la lâchiez d'une hauteur de 612 mètres (en ignorant le frottement de l'air).
Quelques autres formes d'énergie
La lumière que nous voyons est un phénomène électromagnétique qui a de l’énergie grâce aux vibrations de paquets d’ondes appelés photons. Le physicien allemand Max Planck a déterminé que l’énergie d’un photon est proportionnelle à la fréquence (f) avec laquelle il vibre, et il a calculé la constante de proportionnalité (h), appelée constante de Plancks en son honneur. L'expression de l'énergie d'un photon est donc E (p) = h × f. Selon la théorie de la relativité d'Albert Einsteins, chaque particule de matière a une énergie potentielle inhérente proportionnelle à la masse des particules et au carré de la vitesse de la lumière (c). L'expression pertinente est E (m) = m × c2. Les calculs des Einstein ont été corroborés par le développement de la bombe atomique.