تعريف قانون القدرة الميكانيكية

مفهوم قانون القدرة الميكانيكية

القدرة الميكانيكية تعني مقدار القوة العضلية الميكانيكية، وهي إحدى المقاييس الخاصة بمخرجات الجهاز الحركي، ويمكن التمييز بين هذين المتغيرين بالرجوع إلى المنحنى الخاص بالقوة والسرعة .

القوة العضلية تعني مقدار القوة الكافية التي تمكننا من التغلب على مقاومة معينة سواء بالإيقاف أو بالحركة تجاه هذا المنحني.

مقدار القدرة الميكانيكية الناتجة عن الجهاز الحركي هي اللحظات التي تصبح فيها القوة بها في حالة من التغيير بمرور لحظة من لحظات الزمن الخاص بالأداء.

للقدرة أهمية تتعلق بالأداء الرياضي اللازم لحدوثها، وهي قدرة متاحة بشكل كبير، مثل قدرة الجسم على الانتقال لمسافة معينة أو رمي أداة بسرعة لتصل إلى مسافة أو ارتفاع محدد.

إثبات قانون القدرة الميكانيكية

يتم حساب القدرة عندما يتم ضرب القوة المبذولة بالجسم في مدى الزمن الذي تم إنجاز العمل فيه، ويمكن استخدام هذا الناتج كمعيار لإنتاج كمية معينة من الحركة في الجسم وتغييرها بشكل لحظي بتغيير مقدار القوة أو السرعة.

مثال على ذلك: عند ضرب الكرة في الإرسال الساحق في لعبة كرة الطائرة، يتم إضافة قوة أكبر على الكرة، وبالتالي تصبح سرعة الذراع المضربة أسرع من المعتاد، وتكتسب كمية حركة كبيرة في نفس لحظة ضرب الكرة.

يجب أن نأخذ في الاعتبار وزن الكرة وأقوى لاعبة حيث يمكنها اكتساب سرعة أكبر من اللاعبة الأضعف، ويمكن استنتاج كمية الحركة بالضرب بالكتلة في السرعة.

بناء عليه، يمكن استنتاج أن اللاعب الذي يتمتع بالقوة يستطيع التحكم في حركة الذراع الضاربة بشكل كاف، وعندما يلامس اليد الكرة، تكتسب الأخيرة سرعة نهائية معينة.

تُحدد السرعة الثانية عندما يتم تطبيق قوة مُحددة وسرعة على الكرة، وفي حالة الرمي والقذف يعتمد الأمر بشكل كبير على القوة الميكانيكية وثبات زاوية الانطلاق.

تعتمد المسافة التي يقطعها الجسم الملقى على السرعة النهائية، أي السرعة التي يكون عليه الجسم في لحظة الإطلاق، والهدف الرئيسي للاعب هو تحقيق سرعة عالية للجسم الملقى، لذلك يجب عليه تطبيق أكبر قوة ممكنة وتطيل مسافة التعجيل بشكل نسبي.

عند ثبات مسافة تطبيق القوة، تصبح كمية القوة وسرعتها العوامل الأساسية لنجاح الضربة الخاصة بالإرسال الساحق، حيث تكون القدرة هي المحدد الأول للأداء.

بالأداءات الرياضية التي يكون اعتمادها على القدرة تحتوي على أداءات تعتمد بنسبة كبيرة على مكوني السرعة أو أداءات تعتمد بنسبة كبيرة على مكون القوة وأدوات أخرى من اللازم لتنفيذها مقدار معين من مكوني السرعة والقوة، والذي يقود إلى تحقيق أفضل النتائج هو نسبة مكون السرعة والقوة لتحديد القدرة الملائم لنوع اللعبة.

يمكن أن تكون هناك علاقة بين القدرة والعزم العضلي لأن العزم العضلي يشترك في نفس المواصفات الميكانيكية للقوة، على الرغم من أن الدوران هو الواجب الأساسي.

يمكن الاعتماد على العزم كقوة، ثم تحديد القدرة المطلوبة، حيث تقل نسبة العزم العضلي بزيادة سرعة اختصار العضلة، مما يعني أن قياس القوة العضلية الديناميكية المتحركة يتوقف إلى حد كبير على معدل تغيير طول العضلة.

يتطلب تحديد القوة الديناميكية بدقة أكبر إعادة القياس عند سرعات مختلفة، وهذه إجراءات يمكن تبسيطها عن طريق قياس أقصى قدرة يمكن للجهاز الحركي تحقيقها، وهذه القدرة تعكس القوة العضلية والسرعة وبالتالي تؤدي إلى أفضل تأثير ميكانيكي.

نستنتج من هذا أن القدرة الميكانيكية المقدرة بوحدة الواط تكون ناتج ضرب القوة بالسرعة، وبالتالي يكون تأثير القوة أكبر عند تنفيذ الحركة بسرعة، أي عند قدرة اللاعب على تنفيذ الحركة بسرعة أكبر.

تُعبّر وحدات القدرة بواسطة وحدة قياس معروفة وهي الواط (W)، وترمز لها بالحرف (w)، وللتمييز بين وحدات الطاقة والقدرة يُستخدم الرمز المختصر لكل منهما

• القدرة هي مقياس زمني للعمل، وتعني سرعة إنجاز العمل.
• القدرة الميكانيكية مهمة جدا في مجالات النشاط الرياضي، حيث ترتبط بين القوة والسرعة معا حتى لا يؤثر أحدهما على الآخر، وفي النهاية يمكن أن تؤثر على القدرة، فقد يكون اللاعب قويا ولكن قدرته ليست جيدة بسبب عدم امتلاكه نسبة سرعة عالية والعكس.

استنتاج القانون:

• القدرة = الشغل.
• بما أن الشغلة = القوة × المسافة، فإن القدرة = القوة × المسافة
• والقوة = ك × ج.
• إذن القدرةُ = (ك × ج × المسافة).

الحفاظ على الطاقة الميكانيكية

وبناءً على مبدأ الحفاظ على الطاقة الميكانيكية، يمكننا الحفاظ على إجمالي كمية الطاقة الميكانيكية لأي نظام، وهذا يعني عدم إمكانية إنشاء أو تدمير الطاقة بشكل داخلي، ولا يمكن تحويلها من شكل إلى شكل آخر إلا إذا كانت هناك قوة تعمل على النظام وتتفق مع مبدأ الحفاظ على الطاقة .

على سبيل المثال لتوضيح الحركة ذات البعد الأحادي في النظام

إذا كان جسمًا يتأثر بقوة محافظة F، فسيحدث له انحراف بمقدار x، ووفقًا لنظرية العمل والطاقة، فإن الشبكة التي تتكون من جميع القوى المؤثرة في نظام ما تساوي قيمة التغيير في الطاقة الحركية للنظام، ويمكن التعبير عن ذلك رياضيًا
‏ ΔKE = F (x) Δx
حيث تُعرف ΔK بمعدل التغيُّر في الطاقة الحركية للنظام.
يتميز نظام W net = W c بأن القوى المحافظة فقط تعمل عليه .
وهكذا W c = ΔKE
إذا قامت القوى المحافظة بالعمل داخل نطاق الأنظمة، يفقد النظام طاقة كامنة تعادل العمل الذي تم إنجازه
‏W c = -PE.
يعني ذلك أن الطاقة الحركية الإجمالية والطاقة الكامنة للنظام تبقى ثابتة إذا تضمنت العملية قوى محافظة فقط.
‏KE + PE = ثابت
‏KE i + PE i = KE f + PE f

تشير KE إلى القيم الأولية للطاقة الحركية الكلية و PE تشير إلى القيم النهائية للطاقة الكامنة الكلية.

ينطبق هذا القانون في حالة النظام الذي يحافظ على طبيعته، حيث يتم تعريف الطاقة الميكانيكية للنظام بأنها الطاقة الحركية الكلية بالإضافة إلى الطاقة الكامنة الإجمالية.

في نظام يحتوي على قوة واحدة فقط وهي المحافظة، تترتب كل قوة بشكل من أشكال الطاقة الكامنة وتتغير الطاقة فقط بين الطاقة الحركية وأنواع متعددة ومختلفة من الطاقة الكامنة، بشكل يحافظ على ثبوت الطاقة الكلية

مثال على إجمالي الطاقة الميكانيكية

من الأمثلة على شرح الطاقة الميكانيكية الإجمالية للنظام: إسقاط كرة من جرف معين بكتلة محددة وحساب الطاقة الكامنة والحركية الخاصة بها

• ارتفاعه ح من على ارتفاع H
• مقدار الطاقة الكامنة (PE) يساوي (م × ز × ح)
• ومقدار الطاقة الحركية (KE) = 0
• إجمالي الطاقة الميكانيكية = mgH
• ومن على ارتفاع يساوي ح
• الطاقة الكامنة (PE) مقدارها = م × ز × ح
• الطاقة الحركية (KE) = 1/2 (mv ^ 2)

عند استخدام معادلات الحركة، يمكننا كتابة سرعة الجسم v1 عند ارتفاع h عندما يسقط جسم بكتلة m من ارتفاع H باستخدام هذه الصيغة. يمكن استخراج الطاقة الحركية بالطريقة التالية:

• إجمالي الطاقة الميكانيكية = (mgH – mgh) – mgh = mgH
• عند ارتفاع الصفر
• الطاقة الكامنة: 0
• الطاقة الحركية: 1/2 (mv ^ 2)

يمكننا استخدام معادلات الحركة لرؤية سرعة v تحت الجرف قبل لمس الأرض مباشرة

وبالتالي الطاقة الحركية تصبح.

• إجمالي الطاقة الميكانيكية: mgH

تم استنتاج أن إجمالي الطاقة الميكانيكية في النظام يظل ثابتًا في جميع الأوقات.