التحول بين طاقة الحركة والوضع

مفهوم الطاقة الحركية:

تعرف الطاقة الحركية بأنها شكل من أشكال الطاقة التي يمتلكها الجسم أو الجسيم بسبب حركته، وإذا تم العمل، الذي ينقل الطاقة، على جسم عن طريق تطبيق قوة صافية، فإن الجسم يتسارع وبالتالي يكتسب طاقة حركية.

الطاقة الحركية هي خاصية لجسم متحرك أو جسيم ولا تعتمد فقط على حركته ولكن أيضًا على كتلته، وقد يكون نوع الحركة عبارة عن ترجمة ( حركة على طول مسار من مكان إلى آخر)، دوران حول محور، اهتزاز، أو أي مجموعة من الحركات.

الطاقة الحركية الانتقالية لجسم ما تساوي نصف حاصل ضرب كتلته، m، ومربع سرعته، v، أو 1/2mv²، وهذه الصيغة صالحة فقط للسرعات المنخفضة إلى العالية نسبيًا؛ بالنسبة للجسيمات عالية السرعة للغاية، فإنها تنتج قيمًا صغيرة جدًا.

عندما تقترب سرعة الجسم من سرعة الضوء (3 × 108 مترًا في الثانية، أو 186000 ميلًا في الثانية)، تزداد كتلته، ويجب استخدام قوانين النسبية، حيث الطاقة الحركية النسبية تساوي الزيادة في كتلة الجسيم عن تلك التي لديها في حالة السكون مضروبة في مربع سرعة الضوء.

وحدة الطاقة في نظام متر كيلوجرام ثانية هي الجول، كتلة تزن 2 كيلوغرام (شيء يزن 4.4 رطل على الأرض) تتحرك بسرعة متر واحد في الثانية (أكثر بقليل من ميلين في الساعة) لها طاقة حركية تساوي جول واحد، وفي نظام السنتيمتر-جرام-الثانية، وحدة الطاقة هي erg 10⁻⁷ جول، أي ما يعادل الطاقة الحركية لبعوضة أثناء الطيران، وتُستخدم وحدات الطاقة الأخرى أيضًا، في سياقات محددة، مثل الوحدة الأصغر، وهي الإلكترون فولت على المقياس الذري ودون الذري.

بالنسبة لجسم دوار، فإن لحظة القصور الذاتي، I تتوافق مع الكتلة m، والسرعة الزاوية (أوميغا) ω، تتوافق مع السرعة الخطية، أو السرعة الانتقالية، ووفقًا لذلك، فإن الطاقة الحركية الدورانية تساوي نصف ناتج لحظة القصور الذاتي ومربع السرعة الزاوية، أو 1 / 2Iω².

ما هي الطاقة الكامنة؟

تعرف الطاقة الكامنة بأنها الطاقة المخزنة التي تعتمد على الوضع النسبي لأجزاء مختلفة من النظام، ويحتوي الزنبرك على طاقة كامنة أكبر عند ضغطه أو شده، والكرة الفولاذية لديها طاقة كامنة مرفوعة فوق الأرض أكثر مما هي عليه بعد سقوطها على الأرض، في الوضع المرتفع، يمكنها القيام بالمزيد من العمل.

الطاقة الكامنة هي خاصية للنظام وليس لجسم أو جسيم فردي؛ النظام المكون من الأرض والكرة المرتفعة، على سبيل المثال، لديه طاقة كامنة أكبر لأن الاثنين بعيدان عن بعضهما البعض.

تنشأ الطاقة الكامنة في الأنظمة ذات الأجزاء التي تمارس قوى على بعضها البعض بحجم يعتمد على التكوين أو الوضع النسبي للأجزاء، وفي حالة نظام الكرة الأرضية، تعتمد قوة الجاذبية بينهما فقط على المسافة التي تفصل بينهما، حيث العمل المنجز في فصلهم بعيدًا، أو في رفع الكرة، حيث ينقل طاقة إضافية إلى النظام، حيث يتم تخزينها كطاقة محتملة للجاذبية.

تشمل الطاقة الكامنة أيضًا أشكالًا أخرى، كالطاقة المخزنة بين ألواح المكثف المشحون هي طاقة وضع كهربائي، ويمكن اعتبار ما يُعرف عمومًا بالطاقة الكيميائية، أي قدرة المادة على القيام بالعمل أو تطوير الحرارة من خلال تغيير التركيب، طاقة كامنة ناتجة عن القوى المشتركة بين جزيئاتها وذراتها، والطاقة النووية هي أيضا شكل من أشكال الطاقة الكامنة.

تعتمد الطاقة الكامنة لنظام من الجسيمات فقط على تكويناتها الأولية والنهائية؛ إنها مستقلة عن المسار الذي تسلكه الجسيمات، وفي حالة الكرة الفولاذية والأرض، إذا كان الموضع الأولي للكرة هو مستوى الأرض والموضع النهائي 10 أقدام فوق الأرض، فإن الطاقة الكامنة هي نفسها، بغض النظر عن الطريقة التي تم بها رفع الكرة أو المسار الذي تم رفعه بها، وقيمة الطاقة الكامنة عشوائية وتتعلق باختيار النقطة المرجعية، ففي الحالة المذكورة أعلاه، سيكون للنظام ضعف الطاقة الكامنة إذا كان الموضع الأولي هو قاع حفرة بعمق 10 أقدام.

يمكن حساب طاقة الجاذبية الكامنة بالقرب من سطح الأرض بضرب وزن الجسم في المسافة التي تفوق النقطة المرجعية، وفي الأنظمة المقيدة، مثل الذرات، حيث يتم الاحتفاظ بالإلكترونات بواسطة القوة الكهربائية لجذب النوى، يكون المرجع الصفري للطاقة الكامنة هو المسافة من النواة بدرجة كبيرة بحيث لا يمكن اكتشاف القوة الكهربائية، وفي هذه الحالة، تحتوي الإلكترونات المقيدة على طاقة كامنة سالبة، وتلك البعيدة جدًا ليس لها طاقة كامنة.

الطاقة الكامنة وطاقة حركة:

يمكن تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركة، تسمى الطاقة الحركية، وبالتالي إلى أشكال أخرى مثل الطاقة الكهربائية، وهكذا، تتدفق المياه خلف السد إلى مستويات منخفضة من خلال التوربينات التي تدير المولدات الكهربائية، وتنتج طاقة كهربائية بالإضافة إلى بعض الطاقة الحرارية غير القابلة للاستخدام الناتجة عن الاضطرابات والاحتكاك.

تاريخيًا، تم تضمين الطاقة الكامنة مع الطاقة الحركية كشكل من أشكال الطاقة الميكانيكية بحيث يمكن حساب الطاقة الكلية في أنظمة الجاذبية على أنها ثابتة.

الطاقة الميكانيكية هي مجموع الطاقة الحركية أو طاقة الحركة، والطاقة الكامنة أو الطاقة المخزنة في نظام بسبب موقع أجزائه، بحيث الطاقة الميكانيكية ثابتة في نظام لديه قوى جاذبية فقط أو في نظام مثالي بخلاف ذلك – أي ، نظام يفتقر إلى قوى التبديد، مثل الاحتكاك ومقاومة الهواء، أو نظام يمكن فيه إهمال هذه القوى بشكل معقول.

وبالتالي، فإن البندول المتأرجح لديه أكبر طاقة حركية وأقل طاقة كامنة في الوضع الرأسي، حيث تكون سرعته أكبر وأقل ارتفاع؛ لديها أقل طاقتها الحركية وأكبر طاقة كامنة عند أطراف تأرجحها، حيث تكون سرعتها صفرًا وارتفاعها أكبر، بينما يتحرك البندول، تنتقل الطاقة باستمرار ذهابًا وإيابًا بين الشكلين.

عند إهمال الاحتكاك عند المحور ومقاومة الهواء، يكون مجموع طاقات الحركة والجهد للبندول، أو طاقته الميكانيكية، ثابتًا، وفي الواقع تتضاءل الطاقة الميكانيكية للنظام في نهاية كل تأرجح بمقدار ضئيل من الطاقة المنقولة خارج النظام عن طريق العمل الذي يقوم به البندول في مواجهة قوى الاحتكاك ومقاومة الهواء.

الطاقة الميكانيكية لنظام الأرض والقمر ثابتة تقريبًا، حيث يتم تبادلها بشكل إيقاعي بين أشكالها الحركية والمحتملة، عندما يكون القمر بعيدًا عن الأرض في مداره شبه الإهليلجي، تكون سرعته أقل، أصبحت طاقتها الحركية أقل وطاقتها الكامنة أكبر، وعندما يكون القمر أقرب إلى الأرض، فإنه يسافر بأسرع ما يمكن؛ ويتم تحويل بعض الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية.