تعريف الطاقة الميكانيكية وانواعها
في الفيزياء، يعرف مصطلح الطاقة على أنه القدرة على القيام بالعمل وقد يتم تجسيدها بأشكال مختلفة، مثل الطاقة المحتملة والحركية والحرارية والكهربائية والكيميائية والنووية وغيرها، ويتم تحديد هذه الطاقة حسب طبيعتها، وبالتالي، يمكن أن يتحول العمل المنجز إلى طاقة ميكانيكية، بينما قد تتحول الحرارة المنتقلة إلى طاقة حرارية.
أشكال الطاقة وتحولاتها
جميع أشكال الطاقة مرتبطة بالحركة على سبيل المثال، يمتلك أي جسم طاقة حركية إذا كان في حالة حركة، الجهاز المشدود مثل القوس أو الزنبرك، وإن كان في حالة راحة، لديه القدرة على خلق الحركة؛ يحتوي على الطاقة الكامنة بسبب تكوينه وبالمثل، فإن الطاقة النووية هي طاقة كامنة لأنها تنتج عن تكوين الجسيمات دون الذرية في نواة الذرة.
لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة، وإنما يمكن تحويلها فقط من شكل إلى آخر، ويُعرف هذا المبدأ باسم حفظ الطاقة أو القانون الأول للديناميكا الحرارية، ويمكن تحويل الطاقة من شكل إلى آخر بعدة طرق، ويتم إنتاج الطاقة الميكانيكية أو الكهربائية القابلة للاستخدام.
وحدة قياس الطاقة
في النظام الدولي للوحدات (SI)، يتم قياس الطاقة بوحدة الجول، ويعادل الجول الواحد الشغل الذي تنجزه قوة بمقدار نيوتن واحد تعمل على مسافة متر واحد.
أنواع الطاقة
هناك العديد من أنواع الطاقة المختلفة، والتي تنقسم جميعها إلى نوعين رئيسيين، الحركية والجهد، يمكن تحويل الطاقة من نوع إلى آخر، ولكن لا يمكن تدميرها أو إنشاؤها أبدا.
يمكن تقسيم أنواع الطاقة إلى فئتين، الطاقة الحركية (طاقة الأجسام المتحركة) والطاقة الكامنة (الطاقة المخزنة). هذه هما الأشكال الأساسية للطاقة.
: يذكر السطر أن هناك أنواعًا مختلفة من الطاقة مثل الطاقة الحرارية والمشعة والكيميائية والنووية والكهربائية والحركية والصوتية والمرنة وطاقة الجاذبية.
تعريف الطاقة الميكانيكية
الطاقة الميكانيكية هي الطريقة التي يتحرك بها الجسم بناءً على موضعه وحركته، ويتم ذلك عندما تعمل القوة على جسم ما ويستخدم الجسم الطاقة المنقولة كحركة، وإذا كان الجسم يتحرك، فإنه يستخدم طاقة ميكانيكية.
أنواع الطاقة الميكانيكية
هناك نوعان من الطاقة الميكانيكية: تتحرك الأجسام ذات الكميات العالية من الطاقة الميكانيكية أكثر من الأجسام ذات الطاقة الميكانيكية المنخفضة. وتشمل هذه الطاقة الكامنة (الطاقة المخزنة في الموقع) والطاقة الحركية (طاقة الحركة).
الطاقة الميكانيكية الكامنة
عندما يكون الجسم قادرًا على الحركة، ولكن ليس لديه القدرة على العمل، فإنه يخزن الطاقة الميكانيكية الكامنة، والتي تتمثل بشكل رئيسي في نوعين من الطاقة الكامنة
- طاقة جهد الجاذبية: تحتوي الأجسام الثقيلة على كميات أكبر من طاقة الجاذبية، حيث يتم تخزين الطاقة في ارتفاع أو موضع الجسم.
- الطاقة الكامنة المرنة: تتوقف الطاقة التي يتم تخزينها في الجسم على حالة المادة التي يتم استخدامها، كما هو الحال في المواد المطاطية وغيرها.
الطاقة الميكانيكية الحركية
عندما يتحرك الجسم، يستخدم طاقة ميكانيكية حركية، ويمكن أن تحدث الطاقة الميكانيكية الحركية عندما تنتقل الطاقة الحركية لجسم آخر، أو عندما يتحول نوع آخر من الطاقة الحركية إلى طاقة ميكانيكية.
الطاقة الميكانيكية، تشمل الأنواع الأربعة للطاقة الحركية:
- الطاقة المشعة: الطاقة التي تنتجها موجات الضوء.
- الطاقة الكهربائية: الطاقة التي تنتجها الكهرباء.
- طاقة الصوت: الطاقة التي تنتجها الموجات الصوتية.
- الطاقة الحرارية: الطاقة الناتجة عن الحرارة.
أمثلة على الطاقة الميكانيكية
الطاقة الميكانيكية هي إحدى أنواع الطاقة التي يمكن رؤيتها بسهولة عندما يتحرك شيء ما، حيث يتم استخدام الطاقة الميكانيكية في ذلك. ومن بين مصادر الطاقة الميكانيكية التي يمكن العثور عليها في المنزل:
- تحول مقبض الباب
- الشهيق والزفير
- دق مسمار
- ركوب الدراجات الهوائية
- شحذ قلم رصاص
- استخدام أجهزة المطبخ
- الكتابة على لوحة المفاتيح
يستخدم أي جسم يتحرك طاقة ميكانيكية حركية، وحتى الأشياء التي لا تتحرك تخزن طاقة ميكانيكية محتملة، وعندما تقوم بتحريك شيء ما بيدك، فإنك تنقل الطاقة الميكانيكية الحركية من جسمك إلى الجسم الذي تقوم بتحريكه.
قانون بقاء الطاقة الميكانيكية
قانون حفظ الطاقة الميكانيكية: في حالة عدم وجود قوى تبديد مثل الاحتكاك ومقاومة الهواء، فإن الكمية الإجمالية للطاقة الميكانيكية في نظام مغلق تبقى ثابتة.
يعني ذلك أن الطاقة الكامنة يمكن تحويلها إلى طاقة حركية، والعكس صحيح أيضًا، ولكن الطاقة لا يمكن أن تختفي، فعلى سبيل المثال، في حالة عدم وجود مقاومة من الهواء، فإن الطاقة الميكانيكية لجسم يتحرك في مجال الجاذبية الأرضية تظل ثابتة (محفوظة).
إجمالي الطاقة الميكانيكية
كما ذكرنا، يمكن أن تكون الطاقة الميكانيكية لجسم ما نتيجة حركته (أي الطاقة الحركية) أو نتيجة الطاقة المخزنة للموضع (أي الطاقة الكامنة)، إن المقدار الإجمالي للطاقة الميكانيكية هو مجرد مجموع الطاقة الكامنة والطاقة الحركية، يشار إلى هذا المجموع ببساطة باسم إجمالي الطاقة الميكانيكية (اختصار TME).
TME = PE + KE
تمت مناقشة نوعان من الطاقة الكامنة في مسارنا، وهما طاقة الجاذبية وطاقة الوضع المرنة، وبالنظر إلى هذه الحقيقة، يمكن إعادة صياغة المعادلة المذكورة أعلاه
TME = PEgrav + PEspring + KE
إجمالي الطاقة الميكانيكية هو مجموع الإمكانات والطاقات الحركية، الطاقة الميكانيكية الكلية هي قيمة ثابتة طوال حركته، هناك ظروف يكون فيها إجمالي الطاقة الميكانيكية قيمة ثابتة وظروف تكون بموجبها قيمة متغيرة، إجمالي كمية الطاقة الميكانيكية هو مجرد مجموع هذين الشكلين من الطاقة.
الطاقة الميكانيكية والقدرة على القيام بالعمل
الكائن الذي يملك طاقة ميكانيكية، قادر على القيام بعمل، أي أن طاقته الميكانيكية تمكن هذا الكائن من تطبيق قوة على كائن آخر، مما يؤدي إلى إزاحته.
يمكن تقديم أمثلة عديدة عن كيفية استخدام طاقة ميكانيكية في الجسم لتطبيق قوة على جسم آخر، ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك ما يلي:
- تُستخدم كرة التدمير الضخمة في آلات الهدم لهدم المباني والهياكل، حيث تتأرجح الكرة الضخمة إلى الخلف إلى موضع مرتفع، ثم تتأرجح للأمام داخل هيكل المبنى أو أي شيء آخر لهدمه. وعندما تصطدم الكرة بالهيكل، تضغط بقوة عليها لتسبب إزاحة جدران الهيكل وهدمه.
- المطرقة هي أداة تستخدم الطاقة الميكانيكية لتنفيذ العمل، حيث تحصل المطرقة على الطاقة الميكانيكية لتمكينها من تطبيق القوة على الأشياء وإزاحتها، وذلك بسبب وجود طاقة ميكانيكية في المطرقة بشكل حركي، وبالتالي فإن المطرقة قادرة على القيام بالعمل.
- مسدس النبال هو مثال آخر على كيفية عمل الطاقة الميكانيكية في جسم ما على جسم آخر. عندما يتم تحميل مسدس السهم وضغط الزناد، يحتوي على طاقة ميكانيكية، تعطي الزنبركات المضغوطة القدرة على تطبيق قوة على السهم لإزاحته. الزناد يحتوي أيضا على طاقة ميكانيكية (كطاقة وضع مطاطية)، وبالتالي يمكنه القيام بالعمل على السهم.
- طواحين الهواء، تستخدم الرياح عالية السرعة للقيام بالعمل على ريش التوربينات في ما يسمى طواحين الهواء تمنح الطاقة الميكانيكية للهواء المتحرك جزيئات الهواء القدرة على تطبيق القوة والتسبب في إزاحة الشفرات، عندما تدور الشفرات، يتم تحويل طاقتها لاحقًا إلى طاقة كهربائية (شكل غير ميكانيكي من الطاقة) ويتم توفيرها للمنازل والصناعات من أجل تشغيل الأجهزة الكهربائية.