אפשר לראות בחוק השלישי של ניוטון הגדרה של המושג מסה, על ידי התייחסות ל"כוח" כמושג ראשוני, בדומה למרחק ולזמן, שגם אותם לא מגדירה הפיזיקה הקלאסית.
הגדרה נוספת למסה במכניקה הקלאסית, מתקבלת מחוק הכבידה של ניוטון, המקשר בין כוח, מסה ומרחק.
שתי ההגדרות הללו אינן "שקולות": במסגרת המכניקה הקלאסית לא ניתן להסיק אחת מהן מתוך השנייה. בעיה זו שהציקה לפיזיקאים מראשיתה, יושבה על ידי קבלתה כאקסיומה המבוטאת בעקרון השקילות של איינשטיין בתורת היחסות הכללית, לפיה מנוחה בשדה כבידה אחיד שקולה לתאוצה שלא בהשפעת שדה כבידה, עד כי צופה היושב בתא סגור לא יוכל להבחין באמצעות ניסוי תחת השפעת מי מהן הוא נתון.
לצד המכניקה הניוטונית, שמתייחסת בעיקר לתנועה, יש למושג הכח בפיזיקה הקלאסית קשר ישיר לגדלים נוספים, כמו לחץ, ולכן על חוק הגזים האידיאליים, ומושגים נוספים כמו חוזק חומרים.
למרות הבעייתיות הפילוסופית, תורת המכניקה של ניוטון הייתה מוצלחת ביותר באופן ניסיוני ופעלה כראוי לכל צורך מעשי, ולכן נתקבלה כנכונה במהירות רבה. רק בסוף המאה ה-19, בעקבות גילויים בתחום האלקטרומגנטיות והפיזיקה האטומית החלה להתערער נכונותה, והמכניקה היחסותית של אלברט איינשטיין מציגה את המכניקה הניוטונית כמקרה פרטי של תנועה במהירויות נמוכות. כוח משמש מושג מרכזי גם בתורת היחסות.
במכניקת הקוונטים מושג הכוח שימושי פחות, ומוחלף במידה מסוימת במושג שדה.
סוגי כוחות.
בפיזיקה מוגדרים ארבעה כוחות יסודיים של הטבע, הנקראים כוחות היסוד או אינטראקציות יסודיות. ארבעת כוחות היסוד הם:
בחיי היומיום אנו נתקלים בכוחות מסוגים שונים, כגון כוח אלסטי, כוח נורמלי, חיכוך ואחרים, שהם היבטים שונים של ארבעת הכוחות הבסיסיים.
אנרגיה
בפיזיקה, אֵנֶרְגִּיָּה היא גודל פיזיקלי סקלרי, שמציין את כמות העבודה היכולה להיעשות על ידי כוח. המושג "אנרגיה" מסייע להבנה בכל תחומי הפיזיקה. לפי הגדרה כללית יותר, אנרגיה היא הגודל הפיזיקלי שנשמר כתוצאה מכך שחוקי הפיזיקה קבועים בזמן. ובמובן אחר, הכושר לבצע עבודה.
במילים פשוטות, אנרגיה היא סכום של כמה מספרים ("סוגי אנרגיה") שתמיד נשמר קבוע, ושימושית בגלל התכונה הזו: אם יש עלייה באחד מסוגי האנרגיה, ניתן להבין שהייתה ירידה זהה בסך סוגי האנרגיה האחרים, ומכאן ניתן לגזור מסקנות. לדוגמה, עבור משקולת במסה של 1 קילוגרם שנופלת בריק, מידת האנרגיה (שנמדדת ביחידות ג'ול) שווה לביטוי formula_1 כאשר h גובה המשקולת מהקרקע (במטרים) ו-v מהירותה (במטרים לשנייה). החלק הראשון של הביטוי נקרא "אנרגיה פוטנציאלית" ותלוי בגובה המשקולת, והחלק השני נקרא "אנרגיה קינטית" ותלוי במהירותה. סכומם הוא "סך האנרגיה", ואם הוא ידוע בתחילת הנפילה של גוף, ניתן למצוא את מהירות הנפילה של המשקולת בכל גובה. זאת משום שירידה בגובה מלווה בירידה באנרגיה הפוטנציאלית, ולכן האנרגיה הקינטית צריכה לעלות באותה מידה, וניתן לחלץ מכאן את המהירות.
באופן דומה, עבור תופעות שונות (כמו אור, קול, חום, חשמל, תנועה, שינוי מיקום וכו') ניתן לשייך מספרים שתלויים ב'עוצמת' התופעה וסכומם קבוע, וכך לדוגמה כדי לתכנן מנורה שמפיצה כמות מסוימת של אור וחום, אפשר לדעת כמה חשמל צריך. זאת משום שהגדלת האנרגיה מסוגים של אור וחום תצטרך להיות מלווה בירידת אנרגיה מסוג אחר.
סוגי האנרגיה השונים לרוב מסווגים בכמה מחלקות עיקריות, אנרגיה פוטנציאלית היא גודל שתלוי במיקום של גופים (כמו בדוגמה בפסקה הקודמת), אנרגיה קינטית קשורה לתנועת גופים, ואנרגיה של שדות, שהיא אנרגיה הקשורה בקיומם של שדות־כוח, למשל שדה אלקטרומגנטי או שדה כבידה. אנרגיה יכולה לעבור מגוף אחד לשני וללבוש צורות שונות, אולם חוק שימור האנרגיה קובע שסכום האנרגיה של כל הגופים והשדות במערכת סגורה הוא גודל קבוע, כלומר אינה נוצרת מאין או נעלמת.
המונח.
המונח 'אנרגיה' במשמעותו המודרנית נטבע על ידי הרופא והפיזיקאי הגרמני הרמן פון הלמהולץ כאשר ניסח את חוק שימור האנרגיה, שעל פיו אנרגיה אינה "נעלמת" או נוצרת מאין, אלא רק משנה את פניה, מה שאומר שכמות האנרגיה הקיימת ביקום כולו אינה משתנה, כלומר הייתה קיימת תמיד.
מקור המלה ביוונית: energeia – עשייה; חיבור המילים en ("ב־") ו־ergon ("עבודה, פעולה"). בלטינית: actualis, מ־actus (מעשה). בעברית של ימי הביניים: "בפועל" – מה שקיים (ביוונית: dynamis). "בכוח" – מה שאפשרי אך לא קיים (בלטינית: potentialis).
האקדמיה ללשון העברית הציעה בשנת 1930 את המילה מֶרֶץ במקביל למילה אנרגיה, אך זנחה מילה זו כעבור עשור.
צורות שונות של אנרגיה.
ניתן לסווג את האנרגיה לכמה מחלקות בסיסיות:
פגם אחד בחלוקה הזו הוא, שאנרגיה של שדות ואנרגיה פוטנציאלית הן לעיתים אותו הדבר (למשל במקרה של האנרגיה של גופים טעונים במצב אלקטרוסטטי), ולמעשה מהוות נקודות מבט שונות על אותו מצב פיזיקלי.
חוקי התרמודינמיקה.
באנרגיה שולטים חוקי התרמודינמיקה:
לחוקים אלו השלכות מרחיקות לכת בדבר זמינות האנרגיה לצרכים מעשיים, ובמהלך ההיסטוריה, אנשים שונים ניסו לבנות מכונות נצח – מכונות המפיקות אנרגיה רבה יותר מזו שהושקעה בהפעלתם. ניסיון זה מעולם לא צלח וקיומן של מכונות אלו עומד בניגוד לעקרונות פיזיקליים בסיסיים.
אנרגיה כיכולת לבצע עבודה.
אנרגיה היא רק אחד מהגדלים שמגדירים מצב של מערכת. מדדים נוספים הם למשל מסה, טמפרטורה, נפח או לחץ. כאמור, האנרגיה לובשת צורות שונות שניתנות להמרה זו בזו. החוק הראשון של התרמודינמיקה, חוק שימור האנרגיה, קושר בין האנרגיה הכוללת של המערכת (או הגוף) לבין החום והעבודה שניתן לקבל מאנרגיה זו: formula_6. כאשר מעוניינים להסיק את הבית, שואפים ליצירת חום מרבי, ואילו כאשר מעוניינים בהנעת מכונית, למשל, שואפים לעבודה מרבית. מתוך החוק הראשון והשני של התרמודינמיקה נובע כי רק חלק מן האנרגיה יכול להפוך לעבודה, בהתאם לנצילות הפקתה.
ביצוע עבודה גורם להמרת סוג אחד של אנרגיה לסוגים אחרים. למשל: כאשר שדה כבידה גורם לגוף ליפול, הוא ממיר את האנרגיה הפוטנציאלית הכובדית של הגוף באנרגיה קינטית.
חיסכון באנרגיה.
חיסכון באנרגיה משמעותו ניצול כמות מזערית של אנרגיה לביצוע עבודה. אמנם כמות האנרגיה הדרושה לביצוע עבודה מסוימת היא קבועה, אך כמות האנרגיה שתיצרך בפועל תלויה מאוד בנצילות המערכת. כך, למשל, להרתחה של ליטר מים בטמפרטורת חדר של 20 מעלות צלזיוס נדרשת כמות קבועה וידועה של אנרגיה, אך בכל שיטה לביצוע הפעולה - בקומקום חשמלי, על מבער גז או על גחלים תנוצל כמות שונה של דלק ותופק כמות שונה של אנרגיית חום. בקרב אורגניזמים מתבטא החיסכון באנרגיה בביצוע פעולות תוך ניצול מזערי של קלוריות - קלוריות שמקורן במזון.
למעשה, המשמעות האמיתית של חיסכון באנרגיה היא חיסכון במשאבים, ובפרט בדלק (בפעילות אנושית) או במזון (בטבע).
חום.
המושג חום מתאר מעבר של אנרגיה מגוף אחד למשנהו, המתבצע דרך מספר גדול של תנועות מיקרוסקופיות אקראיות. מעבר חום בדרך כלל גורם לשינויים בטמפרטורה, על פי חוקי התרמודינמיקה. החום אינו צורת אנרגיה נפרדת. כדוגמה פשוטה, כאשר גז אידיאלי מתחמם מעל להבה (כלומר הטמפרטורה שלו עולה), סך האנרגיה הקינטית של כל החלקיקים המהווים את הגז, עולה. מאחר שאת אותה התוצאה ניתן להשיג על ידי דחיסה מכנית של הגז, כלומר ללא מעבר חום, ברור שאין טעם לחשוב על "החום שבתוך הגז". בשני המקרים האנרגיה של הגז היא קינטית, ובשני המקרים היא גדלה. ההבדל הוא באופן שבו מתרחש מעבר האנרגיה לתוך הגז.
יחידות מידה לאנרגיה.
במערכת היחידות הבינלאומית, יחידת המידה של אנרגיה היא ג'ול (J), כך שג'ול אחד הוא (למשל) מידת האנרגיה הקינטית של מערכת שמסתה שני קילוגרם והיא נעה במהירות של מטר אחד בשנייה. ניתן להגדיר ג'ול אחד גם כעבודה שמבצע כוח של ניוטון אחד לאורך מטר אחד.
יחידה מקובלת נוספת לאנרגיה היא האלקטרון וולט (eV). אלקטרון וולט הוא מידת האנרגיה הקינטית שמקבל אלקטרון כאשר הוא מואץ בהפרש מתחים של וולט אחד. formula_7. בתיאור תהליכים גרעיניים, יחידה שימושית היא מגה אלקטרון וולט:
formula_8.
יחידות מידה נוספות לאנרגיה הן: קלוריה וארג.
בצריכה ביתית ובאגירה עבור רשתות חשמל גדולות משתמשים בקילוואט שעה: יחידת מידה לאנרגיה השווה להספק של קילוואט אחד במשך שעה.
ארכימדס
אַרְכִימֶדֶס (ביוונית: Άρχιμήδης; 287 – 212 לפנה"ס) היה מתמטיקאי, פיזיקאי, פילוסוף, מהנדס, ממציא ואסטרונום יווני. אף על פי שמעט ידוע על חייו, הוא נחשב לאחד המדענים המובילים של העת העתיקה.
כתלמיד בבית הספר של אוקלידס, ארכימדס החל את דרכו בלימוד עבודתו שלו ושל ממשיכיו, אך עד מהרה עבודתו עלתה בהרבה על כל קודמיו, וכיום הוא נחשב לגדול המתמטיקאים של העת העתיקה. ארכימדס חזה את החשבון האינטגרלי והאנליזה המודרנית, ונעזר במושג האינפיניטסימל ובשיטת המיצוי כדי לגזור ולהוכיח ריגורוזית מגוון של משפטים גאומטריים, ביניהם שטח המעגל, שטח הפנים והנפח של הספירה, והשטח החסום תחת פרבולה - אשר במסגרת חישובו ביצע את הסיכום הידוע הראשון של טור אינסופי. הישגים מתמטיים אחרים שלו הם מתן אומדן מדויק למדי לקבוע המתמטי פאי (שנקרא מאז "מספר ארכימדס"), הגדרת הספירלה הנושאת שמו, וחקירתה ויצירת מערכת חדשה לכתיב מספרים גדולים מאוד.