معنى الطاقة
في الفيزياء، يشير مصطلح الطاقة إلى القدرة على القيام بالعمل، ويمكن أن تتخذ أشكالا مختلفة مثل الطاقة الحركية، أو الحرارية، أو الكهربائية، أو الكيميائية، أو النووية، أو أي أشكال أخرى مماثلة.
بالإضافة إلى ذلك، توجد حرارة وعمل – أي طاقة – في عملية الانتقال من جسم إلى آخر، وعند نقلها، يتم تحديد الطاقة دائمًا وفقًا لطبيعتها، فقد يتحول العمل المنجز إلى طاقة ميكانيكية، بينما قد يتحول الحرارة المنقولة إلى طاقة حرارية.
تعريف الطاقة الميكانيكية
تعني الطاقة الميكانيكية قدرة الجسم على القيام بعمل بسبب حركته أو تكوينه (الموضع)، وعندما نتحدث عن أنواع الطاقة ، فإن الطاقة الميكانيكية تشمل المصطلحين التاليين للطاقة:
الطاقة الحركية
تعريف الطاقة الحركية هو قدرة الكائن على القيام بعمل بسبب حركته. على سبيل المثال، الرياح لديها طاقة حركية تمكنها من تدوير شفرات طاحونة الهواء وإنتاج الكهرباء. يتم تعبير عن الطاقة الحركية بالمعادلة التالية: K هي الطاقة الحركية بالجول (J)، م هي كتلة الجسم بالكيلوجرام، و v هي سرعة الجسم
k = 1/2 mv2
الطاقة الكامنة
الطاقة الكامنة هي القدرة التي يمتلكها الجسم على القيام بعمل بسبب تركيبه أو موقعه، وعلى سبيل المثال، يمكن للزنبرك المضغوط أن ينتج طاقة عند إطلاقه، ولذلك، يتم التركيز على الطاقة الكامنة في جسم معين بسبب موقعه بالنسبة لجاذبية الأرض.
V=mgh
يمكن التعبير عن الطاقة الكامنة على النحو التالي: هنا، تمثل V الطاقة الكامنة للجسم في الجول (J)، وتمثل m الكتلة الجسم بالكيلوجرام، وتمثل g ثابت الجاذبية للأرض (9.8 م/ث²)، وتمثل h ارتفاع الجسم عن سطح الأرض.
نعلم الآن أن تسارع جسم ما تحت تأثير قوة الجاذبية الأرضية سيختلف وفقًا لبعده عن مركز جاذبية الأرض، ولكن ارتفاعات السطح ضئيلة جدًا بالمقارنة مع نصف قطر الأرض، لذا يتم اعتبار g ثابتًا لجميع الأغراض العملية.
قانون الطاقة الميكانيكية
الحفاظ على الطاقة الميكانيكية
يتضمن تعريف الطاقة الميكانيكية مجموع الطاقات الكامنة والحركية في النظام، وينص مبدأ حفظ الطاقة الميكانيكية على أن مجموع الطاقة الميكانيكية في النظام (أي مجموع الطاقات الإمكانية بالإضافة إلى الطاقات الحركية) يظل ثابتا طالما أن القوى المؤثرة هي قوى محافظة.
يمكننا استخدام تعريف دائري للحديث عن القوة المحافظة، حيث نقول إن القوة المحافظة كقوة لا تغير إجمالي الطاقة الميكانيكية، وهذا صحيح، ولكن هذا التعريف يوضح المزيد من معناها، حيث يمكن التفكير في القوى المحافظة من خلال التفكير في ما يحدث في رحلة الذهاب والعودة.
إذا كانت الطاقة الحركية ثابتة بعد الذهاب والإياب، فإن القوة تعمل كقوة محفوظة، أو على الأقل تعمل كقوة محفوظة، لذلك يجب عليك أن تفكر في أن الجاذبية ستجعل الكرة تطير بشكل مستقيم عندما تقذفها وتتركها بكمية محددة من الطاقة الحركية.
في الجزء العلوي من مساره، لا يمتلك الجسيم طاقة حركية، ولكن لديه طاقة كامنة مساوية للطاقة الحركية التي كان يمتلكها عندما تم إطلاقه من يدك.
عندما تلتقطها مرة أخرى ستحصل على نفس الطاقة الحركية التي كانت عليها عندما تركت يدك، وعلى طول المسار ، يكون مجموع الطاقة الحركية والجهد ثابتًا ، والطاقة الحركية في النهاية ، عندما تعود الكرة إلى نقطة البداية ، هي نفس الطاقة الحركية في البداية ، لذا فإن الجاذبية هي القوة المحافظة.
من ناحية أخرى، الاحتكاك الحركي هو قوة غير محافظة، لأنها تقلل من الطاقة الميكانيكية في النظام. يجب ملاحظة أن القوى غير المحافظة لا تقلل دائما من الطاقة الميكانيكية. تؤثر القوة غير المحافظة على الطاقة الميكانيكية، لذلك القوة التي تزيد من إجمالي الطاقة الميكانيكية، مثل القوة التي يوفرها المحرك أو المحرك، تكون أيضا قوة غير محافظة.
مثال:
تخيل شخصًا ينزلق على زلاجة لمسافة 100 متر بزاوية 30 درجة على تلة.
يزن الشخص 20 كجم وتبلغ سرعته 2 م/ث في اتجاه الهبوط عندما يكون في القمة.
ما هي سرعة الشخص الذي يسافر في أسفل التل؟
الشيء الوحيد الذي يجب علينا القلق منه هو الطاقة الحركية والجاذبية الكامنة، وعند جمعهما في الأعلى والأسفل، يجب أن تكون متساوية، لأنه يتم الحفاظ على الطاقة الميكانيكية.
في الأعلى: PE = mgh = (20) (9.8) (100sin30 °) = 9800 J KE = 1/2 mv2 = 1/2 (20) (2) 2 = 40 J إجمالي الطاقة الميكانيكية
في الأعلى = 9800 + 40 = 9840 جول في الأسفل: PE = 0 KE = 1/2 mv2 إجمالي الطاقة الميكانيكية
إذا حافظنا على الطاقة الميكانيكية، فإن الطاقة الميكانيكية في الأعلى يجب أن تساوي ما لدينا في الأسفل، ويمكن تعبير ذلك بالمعادلة 1/2mv² = 9840، وبالتالي v = 31.3 م/ث.
إثبات قانون حفظ الطاقة
إجمالي الطاقة الميكانيكية، كما ذكرناسابقًا، يمكن أن تكون ناتجة عن حركة الجسم (أي الطاقة الحركية) و/أو من الطاقة المخزنة في المكان (أي الطاقة الكامنة).
إن المقدار الإجمالي للطاقة الميكانيكية هو مجرد مجموع الطاقة الكامنة والطاقة الحركية، ويشار إلى هذا المجموع ببساطة باسم إجمالي الطاقة الميكانيكية (اختصار TME). TME = PE + KE كما ناقشنا سابقًا ، وهناك نوعان من الطاقة الكامنة التي تمت مناقشتها في مسارنا – طاقة وضع الجاذبية وطاقة الوضع المرنة.
بالنظر إلى هذه الحقيقة ، يمكن إعادة كتابة المعادلة أعلاه: TME = PEgrav + PEspring + KE يوضح الرسم البياني أدناه حركة لي بن فاردست (متزلج تزلج أمريكي محترف) أثناء التزحلق على التل وقيامه بقفزة قياسية.
لذلك، يتمثل إجمالي الطاقة الميكانيكية لـ Lee Ben Fardest في مجموع الإمكانيات والطاقات الحركية، ويصل مجموع الطاقة الشكلية إلى 50000 جول.
يلاحظ أيضًا أن الطاقة الميكانيكية الكلية لـ Lee Ben Fardest ثابتة على مدار حركته، فهناك ظروف تجعل إجمالي الطاقة الميكانيكية ثابتًا وظروف تجعله متغيرًا.
يجب تذكيرك الآن أن الطاقة الميكانيكية الإجمالية هي الطاقة التي يمتلكها الجسم بسبب حركته أو الطاقة المخزنة في موضعه.
يتكون إجمالي كمية الطاقة الميكانيكية من مجموع هذين النوعين من الطاقة، ويمكن للجسم الذي يحمل هذه الطاقة الميكانيكية أن يؤدي عملًا على جسم آخر.
أمثلة على الطاقة الميكانيكية في الحياة اليومية
يمكن وصف الطاقة الميكانيكية بأنها طاقة الحركة، وهي الطاقة الموجودة في الأشياء المتحركة أوالتي لديها القدرة على الحركة. وفي الفيزياء، تتكون من مجموع الطاقة الكامنة والطاقة الحركية.
أنواع مختلفة من الطاقة الميكانيكية صيغة الطاقة الميكانيكية هي ؛ الطاقة الميكانيكية = الطاقة الحركية + الطاقة الكامنة قانون حفظ الطاقة الميكانيكية تقول أن الطاقة الميكانيكية لجسم ما في نظام مغلق تظل ثابتة إذا لم تكن تحت تأثير أي قوة تبديد (على سبيل المثال الاحتكاك ، مقاومة الهواء) ، باستثناء قوة الجاذبية.
لنحاول فهم مفهوم الطاقة الميكانيكية بشكل أكثر وضوحًا من خلال بعض الأمثلة المستمدة من الحياة اليومية.
كرة هدم
كرة التدمير هي هيكلٌ دائريٌ كبيرٌ يستخدم لهدم المباني، وعند حملها على ارتفاعٍ ما، تحتوي على طاقةٍ كامنةٍ، وبمجرد سقوطها تكتسب طاقةً حركيةً أيضًا.
عندما تصطدم كرة التدمير بالمبنى المُراد هدمه، فإنها تستخدم القوة بشكل طاقة ميكانيكية، وهذا يؤدي إلى إنجاز العمل، كما في حالة هدم المباني.
المطرقة
عند استخدام المطرقة، فإننا ببساطة نطبق بعض القوة على الظفر لضرب المسمار ودفعه إلى الحائط، مما يؤدي إلى تنفيذ بعض العمل.
عند السكون، لا تحتوي المطرقة على أي طاقة حركية، ولكنها تحتوي فقط على قدر من الطاقة الكامنة.
عند أرجاح المطرقة على بعد مسافة معينة من الظفر قبل ضربه، فإن الطاقة الحركية تلعب دورًا، ويؤدي جمع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة في المطرقة، والتي تسمى الطاقة الميكانيكية، إلى دفع المسمار نحو الجدار.
يمكننا القول إن القوة التي تطبقها المطرقة على الأظفر هي الطاقة الميكانيكية، والتي تتكون من مجموع الطاقة الكامنة والحركية.
بندقية دارت
تعد بندقية السهام مثالاً آخر على استخدام الطاقة الميكانيكية في الحياة اليومية، ويعتمد مسدس النبال على مبدأ الطاقة الكامنة المرنة.
يتكون الزنبرك المستخدم في مسدسات السهام من طاقة كامنة مرنةمخزنة، وعند تحميل بندقية السهام، يتسبب الزنبرك في ضغط السهم وإطلاقه.
في ذلك الوقت، يتكون مسدس النبال من طاقة وضع مرنة؛ حيث يقوم الزنبرك بتطبيق القوة على السهام ويدفعها.
طاحونة الرياح
طواحين الهواء هي الهياكل التي تحول طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية ويتم توفيرها للمنازل. ومن أين تأتي هذه الطاقة؟ تعمل طواحين الهواء على مبدأ الطاقة الميكانيكية والعملعلى تحويل حركة الرياح إلى حركة دورانية للشفرات الكبيرة لطاحونة الهواء.
ويمتلك الهواء المتحرك (الرياح) قدرًا من الطاقة في شكل طاقة حركية (بسبب الحركة)، وتمنح هذه الطاقة الهواء القدرة على القيام بالعمل على ريش المروحة، ويطبق الهواء المتحرك القوة على الشفرات ويسمح بإنجاز العمل ، مما يؤدي إلى دورانها. لذلك ، أعطت الطاقة الميكانيكية الرياح القدرة على القيام بالعمل على ريش المروحة.
كرة البولينج
تُظهر هذه الرياضة المُستهدَفة والمثيرة للاهتمام مثالًا جيدًا آخر للطاقة الميكانيكية والعمل الذي يقوم به الكائن الذي يمتلكها.
تتألف كرة البولينج من كمية من الطاقة الحركية عندما تبدأ في التدحرج نحو الهدف، ونظرًا لهذه الطاقة، فإن الكرة لديها القدرة على إحداث تأثير على المسامير.
عندما تصطدم الكرة بتلك المسامير المستهدفة ، فإنها (الكرة) تطبق القوة (في شكل طاقة ميكانيكية) وتزيحها ، وبالتالي ، مما يؤدي إلى القيام بالعمل. لذلك ، هنا أيضًا ، يمكننا القول أن الطاقة الميكانيكية أعطت كرة البولينج القدرة على أداء الشغل على المسامير التي تسببت في إزاحتها.
محطة الطاقة الكهرومائية
في محطات الطاقة الكهرومائية، يتم توليد الكهرباء باستخدام القوة الميكانيكية للمياه الجارية، وتعد محطات الطاقة الكهرومائية مثالًا رائعًا على استخدام الطاقة الميكانيكية للقيام بالعمل.
وفي محطة توليد الطاقة الكهرومائية ، غالبًا ما نرى منظر الماء يجري على المنحدر بسرعة هائلة، ويتم إلقاء المياه الجارية من ارتفاع كبير فقط للحصول على كمية جيدة من الطاقة الموجودة في شكل طاقة وضع الجاذبية (بسبب الارتفاع) والطاقة الحركية (بسبب الحركة)، ثم يصطدم الماء المتساقط على المنحدر بشفرات التوربينات المثبتة في قاع الشلال.
تعتمد آلية عمل التوربين على قوة الطاقة الميكانيكية للماء، حيث تدفع الشفرات وتدور حول محورها، وبفعل هذا الحركة، يقوم التوربين بتحويل الطاقة الميكانيكية للماء إلى طاقة كهربائية. وبما أن الطاقة الميكانيكية للماء تتحرك بشكل دائم، فإنه يمكن استخدام هذه الطريقة لتوليد الكهرباء بشكل مستدام.
ركوب الدراجات
يحتوي الشخص الذي يركب الدراجة الهوائية على كمية من الطاقة الكيميائية المحتملة، ويستخدم هذه الطاقة لتشغيل مجموعة الدواسات على دراجته بتطبيق بعض القوة، مما يتيح للدراجة الحركة إلى الأمام.
القمر
يعد القمر الصناعي الطبيعي الوحيد للأرض، ويدور حول الأرض بشكل تمام مثلما تدور الأرض، بينما تدور الكواكب السبعة الأخرى حول الشمس. ويمتلك القمر طاقة كامنة بسبب موقعه النسبي تجاه الأرض، فضلاً عن طاقته الحركية التي تتولد من حركته حول الأرض.
لذلك، يمكن القول بأن القمر يظهر طاقة ميكانيكية عالية في شكل طاقة حركية وكامنة بسبب موقعه وحركته، على التوالي، وتظل الطاقة الميكانيكية لنظام الأرض والقمر ثابتة بسبب قانون حفظ الطاقة الميكانيكية.
كما ذكرنا سابقًا، ينص هذا القانون على أن الطاقة الميكانيكية في نظام مغلق تبقى ثابتة إذا لم تكن هناك قوة خارجية تؤثر عليه، باستثناء قوة الجاذبية.
بسبب عدم وجود مقاومة الهواء في الفضاء ، تظل الطاقة الميكانيكية لنظام الأرض والقمر ثابتة باستمرار بسبب التبادل الإيقاعي بين الطاقة الحركية والطاقة الكامنة في أوقات مختلفة من الشهر.
المحرك الكهربائي
تتواجد المحركات الكهربائية في معظم الأجهزة المنزلية مثل المكانس الكهربائية والخلاطات والغسالات والمراوح وتكييف الهواء وغيرها، حيث تعمل هذه المحركات على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.
على سبيل المثال، عند تشغيل المروحة، يبدأ المحرك الكهربائي في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.
بعد ذلك، تستخدم الطاقة الميكانيكية لتحريك ريش المروحة وتمكينها من الدوران، وبالتالي تنتج الحركة على الشفرات، وبذلك يمكننا القول بأن الطاقة الميكانيكية التي تم تحويلها بواسطة المحرك الكهربائي هي المسؤولة عن العمل الذي يتم بواسطة الشفرات.
القوس والسهم
يُعدّ القوس والسهم مثالًا يوميًا آخر للطاقة الميكانيكية، حيث يمتلك السهم طاقة على شكل طاقة وضع مرنة عندما يتم رسمه، وعندما يتم تحريره بواسطة القوس، فإن القوة المطبقة يتم تحويلها إلى طاقة حركية وتدفع السهم نحو الهدف.
عندما يتم دمج طاقتي الحركية والاحتكاكية، يمنح السهم الطاقة الميكانيكية للحركة وضرب الهدف، ومنثم تعمل الطاقة الميكانيكية للسهم على تغيير حالة الهدف
